Tehnologii_neconventionale - Tabacaru Valeriu

download Tehnologii_neconventionale - Tabacaru Valeriu

of 125

Transcript of Tehnologii_neconventionale - Tabacaru Valeriu

Valentin Tbcaru Mihaela Banu

Tehnologii neconvenionaleProcese i tehnologii

CURSGalai 2008

Cuprins1. Introducere n tehnologii neconvenionale1.1. Procese de prelucrare neconvenionale 1.1.1. Definiii 1.1.2. Clasificare 1.1.3. Caracteristici tehnice generale 1.2. Aplicaii industriale

2. Procesul de eroziune electric2.1. Principiul prelucrrii prin eroziune electric 2.2. Procese elementare de eroziune 2.2.1. Descrcarea electric n impuls 2.2.2. Amorsarea i strpungerea 2.2.3. Evoluia descrcrii electrice 2.3. Efectele descrcrii electrice n impuls 2.3.1. ndeprtarea materialului 2.3.1.1. Activarea energetic local 2.3.1.2. Expulzarea materialului 2.3.2. Fenomene specifice n lichidul dielectric

3. Prelucrarea prin eroziune electric cu electrod masiv - EDM3.1. Procese macroscopce de eroziune 3.1.1. Principiul generrii suprafeelor prin EDM 3.1.2. Metode de generare EDM 3.2. Caracteristici tehnologice 3.2.1. Caracteristici de prelevare 3.2.2. Caracteristici de uzare 3.2.3. Precizia de prelcrare 3.2.4. Caracteristici de calitate 3.2.4.1. Rugozitatea suprafeei 3.2.4.2. Stratul superficial 3.3. Factori i parametri electrotehnologici

4. EDM Principii de proiectare a tehnologiei electroerozive4.1. Etapele procesului de proiectare 4.1.1. Obiectivele operaiei de prelucrare 4.2. Elemente de proiectare tehnologic 4.2.1. Determinarea numrului de faze 4.2.2. Alegerea materialului pentru electrozi 4.2.3. Alegerea mediului de lucru 4.2.4. Regimuri de prelucrare 4.2.5. Metode de splare a spaiului eroziv 4.3. Elemente de calcul tehnologic 4.3.1. Dimensionarea suprafeelor active ale electrozilor 4.3.2. Optimiarea tehnologiei de prelucrare 4.3.2.1. Optimizarea dup timpul de prelucrare 4.3.2.2. Optimizarea dup preul de cost

5. Prelucrarea prin eroziune electric cu electrod filiform W-EDM5.1. Procese macroscopce de eroziune 5.1.1. Principiul generrii suprafeelor prin W-EDM 5.1.2. Metode de generare W-EDM 5.2. Caracteristici tehnologice 5.2.1. Caracteristici de prelevare 5.2.2. Caracteristici de uzare 5.3. Factori i parametri electrotehnologici 5.3.1. Parametri care definesc procesul 5.3.2. Parametri reglabili

6. Aplicaii industriale ale prelucrrii prin electroeroziune6.1. Prelucrarea sculelor speciale 6.1.1. Prelucrarea prin electroeroziune n fabricaia de scule 6.1.2. Aplicaii tehnologice 6.2. Tipuri de operaii i cicluri de prelucrare 6.2.1. Prelucrarea prin electroeroziune a tanelor

7. Calitatea i precizia suprafeelor prelucrate prin electroeroziune7.1. Textura i structura suprafeelor erodate 7.1.1. Rugozitatea suprafeeor erodate 7.1.2. Microstructura stratului superficial 7.1.3. Eroziunea cu fir a carburilor metalice 7.2. Erori de prelucrare n procesul eroziv 7.2.1. Definirea erorilor de prelucrare 7.2.2. Uzura electrodului masiv 7.2.3. Instabilitatea electrodului filiform

Bibliografie1. Balleys, F., Frei, C.- Evolution du gap frontal et du gap lateral en electro-erosion. Annals of CIRP, vol. 28 /1, pag. 117-119, 1979 2. Botzel, T. - The technology of EDM. MAHO Hansen GmbH, 1991 3. Caron, R. A. - New developments in accuaracy, application and automation for CNC Ram EDM. INGERSOLL Maschinen und Werzeuque GmbH, 1991 4. Cornelissen, H. - Technological Surfaces - an objective criterion for comparing EDM - Systems. Annals of CIRP, vol. 27, pag. 101-106, 1978 5. Crookall, J. R. - An analysis of EDM utilisation in industrial tooling manufacture. Annals of CIRP, vol. 27, pag. 113-118, 1978 6. Crookall, J. R. - A theory of planar electrod-face wear in EDM. Annals of CIRP, vol. 28, pag. 125-129, 1979 7. Dauw, D. - On the derivation and application of real-time tool wear sensor in EDM. Annals of CIRP, vol. 36, pag. 111-115, 1986 8. Dene, C., Oprean, C., Nanu, D. Cu privire la caracteristicile tehnologice de productivitate ale prelucrrii perin eroziune electric cu electrod filiform, Timioara, Revista de Tehnologii Neconvenionale, nr.1, pag. 37-39, 1997 9. Dorf, C. R., Kusiac A - Handbook of design, manufacturing and automation. New York, A Wiley-Interscience Publication, 1994 10. Epureanu, A., Tbcaru, V., Apostu, C., Fetecu, C., Pruteanu, O., Montoya, F. M. Evaluarea i controlul calitii - aplicaii. Galai, Editura Fundaiei Universitare Dunrea de Jos din Galai, 1999 11. Gavrila, I., Marinescu, N. I.- Prelucrri neconvenionale n construcia de maini. Bucureti, Editura Tehnic, vol. 1-2, 1991-1993 12. McGeough, J. A., Rasmussen, H.- A macroscopic model of EDM. International Machine Tools Manufacture,vol.22, nr. 4, pag. 333-339, 1982 13. Nichici, A., Achimescu, N, .a. Prelucrarea prin eroziune n construcia de maini, Timioara, Editura Facla, 1985 14. Pruteanu, O., .a. Managementul calitii totale, Iai, Editura Junimea, 1998 15. Saito, K., .a. - Development of numerical contouring control in EDM. Annals of CIRP, vol. 35, pag. 117-120, 1986 16. Sltineanu, L. - . 2000 - Tehnologii neconveionale n construcia de maini, Chiinu, Editura Tehnica Info, 2000 17. Tbcaru, V., Maier, C., Naidim, O. - Mathematical model of material removing in elementary erosion process by electrical discharge. Galai, Analele Universitii Dunrea de Jos, Fascicula V, pag. 53-60, 1995 18. Tbcaru, V. Analiza i sinteza sistemelor de prelucrare prin eroziune computerizate (tez de doctorat), Galai, Universitatea Dunrea de Jos, 1996 19. Tbcaru, V., Mitu, S. Tehnologii neconvenionale, Galai, Universitatea Dunrea de Jos, 1992 20. Tbcaru, V., Banu, M., Fetecau, C. Tehnologii neconvenionale experimente de laborator, Galai, Universitatea Dunrea de Jos, 1993 21. INGERSOLL - NC controlled EDM. INGERSOLL Machinen und Werzeuqw GmbH, 1991 22. AGIE - For universal aplications in diesinking erosion. AGIE Industrial Electonics, 1991

Introducere n domeniul tehnologiilor erozive

1

1.1. Procese de prelucrareprin eroziuneDefiniii Clasificare Caracteristici tehnice generale Aplicaii industriale

1.1.1. Definiii nprezent, procesele fundametale de prelucrare dimensional utilizate n domeniul fabricaiei de scule sunt mprite astfel:

Procese bazate pe aciuni de curgere a materialului: - turnare; deformare plastic; injecie Procese bazate pe aciuni de rupere a materialului: - achiere; separare cu tiuri asociate; eroziune Procese bazate pe aciuni de agregare de materiale disparate: - sudare; lipire; sinterizare Prelucrarea prin eroziune este un proces tehnologic de finalitate, bazat pe distrugerea integriti si prelevarea materialului excedentar, numit adaos de prelucrare, de pe suprafaa unui semifabricat, prin aciunea unui agent eroziv sub form de flux de particule solide, lichide, gazoase, de plasm sau de radiaie electromagnetic.Principalele fenomene fizice care stau la baza mecanismului de eroziune sunt urmtoarele:

1. topirea sau vaporizarea unor volume elementare de material; 2. ruperea de material n straturile de suprafa ale semifabricatului; 3. coroziunea.Prelevarea de material prin eroziune are loc sub form de particule submilimetrice, microscopice sau dizolvate, n prezena unui mediu de lucru lichid sau gazos i a cuplului tehnologic "scul - semifabricat".

Introducere n domeniul tehnologiilor erozive

2

Condiiile minime de desfaurare a unui procesului eroziv, dirijat n scopul prelucrrii dimensionale, sunt:

dezvoltarea unui proces elementar de eroziune, manifestat prin ruperea localizat i definitiv a legturilor interatomice dintre materialul excedentar i materialul de baz al semifabricatului; degajarea de deeul tehnologic a suprafeei prelucrate; deplasarea spaial a procesului de eroziune, n concordan cu obiectivele prelucrrii.

1.1.2. Clasificare Procesele de prelucrare prin eroziune actuale pot fi mparite n dou grupe mari:Grupa 1 - Procese n care se desfoar un mecanism neconvenional de interaciune "scul - semifabricat" (termic, chimic, electrochimic i mecanic cu vitez mare de impact); Grupa 2 - Procese n care se utilizeaz un mediu neconventional pentru transmiterea energiei n cuplul "scul - semifabricat" (solid, lichid, suspensie abraziv, gaz, plasm, fotoni, electroni, ioni).

1.1.3. Caracteristici tehnice generale1. Caracterul discret i progresiv al procesului de prelevare a materialului 2. Prelucrabilitatea prin eroziune este insensibil la proprietile mecanice, 3.

4. 5. 6. 7. 8.

n special duritate i tenacitate, ale materialului supus prelucrrii Posibilitatea dirijrii n limite foarte largi a intesitii fluxului energetic dezvoltat pe suprafaa de prelucrat i crearea unei densiti mari de energie n zona de lucru Solicitrile mecanice transmise semifabricatului sunt neglijabile Realizarea de componente de precizie din materiale avansate Numrul "etapelor-operaiilor-fazelor" de prelucrare este cu mult mai mic dect al proceselor convenionale Calitatea foarte bun a suprafeelor prelucrate elimin complet alte operaii suplimentare Automatizarea complex i complet a sistemelor de prelucrare, la nivelul celor mai avansate posibiliti actuale (maini cu comand numeric, sisteme de fabricaie flexibile)

Introducere n domeniul tehnologiilor erozive

3

n funcie de natura predominant a energiei de efect i a mecanismului elementar de eroziune, procesele de prelucrare prin eroziune, utilizate la ora actual n industria constructoare de maini, pot fi clasificate astfel (tabelul 1.1) : Tabelul 1.1. Clasificarea proceselor de prelucrare prin eroziune

Energia de efect Mecanic

Mecanismul de prelevare eroziune

Sursa de energie mecanic jet de fluid

Procesul de prelucrare Prelucrare cu Jet Abraziv AJM - Abrasive Jet Machining Prelucrare Abraziv cu Ultrasunete USM - Ultrasonic Machining Prelucrare Electrochomic ECM - ElectroChemical Machining Rectificare Electrochimic ECG - Electrochemical Grinding

Mecanic ElectroElectrochimic chimic

schimb de ioni rupere plastic i schimb de ioni

electric

electric i mecanic

arc electric electroni accelerai rediaie de putere ionizarea substaei agent coroziv

topire i vaporizare

Chimic

coroziune

Prelucrare cu Descrcare Electric EDM - Electrical Discharge Machining Prelucrare cu Fascicul de Electroni EBM - Electron Beam Machining Prelucrare cu Fascicul Laser LBM - Laser Beam Machining Prelucrare cu Fascicul de Ioni IBM - Ion Beam Machining Prelucrare cu Arc de Plasm PAM - Plasma Arc Machining Prelucrare Chimic CHM - Chemical Machining

Termic

Introducere n domeniul tehnologiilor erozive

4

1.1.4. Aplicaii industriale Procesele de prelucrare dimensional prin eroziune sunt utilizate ntr-o larg varietatede aplicaii industriale (tabelul 1.2). Se observ c la ora actual aceste procese sunt utilizate cu predilecie pentru prelucrarea suprafeelor, fie de coplexiate ridicat, fie cu dimensuni miniaturale. Tabelul 1.2. Aplicaii industriale ale proceselor erozive

Procese de prelucrare Eroziune electric

Tipuri de materiale aliaje feroase aliaje neferoase superaliaje carburi metalice aliaje feroase aliaje neferoase superaliaje carburi metalice superaliaje carburi metalice pietre tehnice ceramic compozite superaliaje semiconductoare superaliaje pietre tehnice ceramic compozite semiconductoare pietre tehnice ceramice carburi metalice semiconductoare aliaje feroase superaliaje

Tipuri de aplicaii micro-orificii, guri si fante, caviti profilate i complexe, suprafee complexe decupate guri si fante, caviti profilate i complexe, debavurare, debitare, profile exterioare caviti complexe nfundate, gravare, debavurare micro-orificii, fante, suprafee complexe decupate, gravare,profilare

Eroziune electrochimic Eroziune chimic Eroziune cu fascicul laser

Eroziune cu fascicul de electroni / ioni

micro-orificii, fante, guri, gravare

Eroziune abraziv cu ultrasunete Eroziune cu plasm

micro-orificii, guri si fante, caviti profilate i complexe, gravare debitare, decupare, profilare, fante

Procesul de eroziune electric

1

2.1. Principiul prelucrriiprin eroziune electric

Prelucrarea prin eroziune electric este un proces de prelevare a materialului prin aciuna repetat a descrcrilor electrice n impuls, desfurate ntr-un lichid dielectric, ntre dou obiecte metalice conectate la o surs de energie. Prelevarea de material reprezint, n sens tehnic, mijlocul de separare a unor particule de dimensiuni submilimetrice din materialul de baz al semifabricatului prin fenomene nemecanice. Eroziunea electric este procesul de prelucrare, n care particulele de material de pe suprafaa semifabricatului sunt ndeprtate prin efect preponderent termo-eroziv, asociat descrcrilor electrice ntr-un mediu lichid, de tip dielectric. Descrcrile electrice se amorseaz succesiv i se localizeaz selectiv n diferite zone ale spaiului dintre elctrod i semifabricat, numit interstiiu, n funcie de realizarea local a condiiilor de formare a arcului electric. Acionnd discontinuu fiecare arc electric constituie un proces elementar de eroziune, desfurat ntr-un spaiu restrns limitat de coloana descrcrii i de petele electrodice, de contact cu stratul de material.Procedee de prelucrare dimensional prin eroziune electric : 1. Prelucrarea cu electrod masiv

EDM - Electrical Discharge Machining

Electrodul este un corp masiv metalic, cu suprafaa activ de form conjugat cu a suprafeei de prelucrat pe semifabricat, sau de form simpl, profilat. 2. Prelucrarea cu electrod filiform

W-EDM - Wire-Electrical Discharge Machining

Electrodul este confecionat sub forma unui fir metalic cu seciune circular, de dimensiuni submilimetrice (0,05 0,35 mm).

Procesul de eroziune electric

2

Transformarea energiei primare (electric) n energie de efect (termic) se realizeaz la nivelul petelor electrodice i duce la formarea unui crater de eroziune (prelevare) pe suprafaa de prelucrat a semifabricatului, respectiv a unui crater de eroziune (uzare) pe suprafaa activ a electrodului (figura 2.1).

Avans Z Electrod Interstiiu lateral (hl) Surs de energie electric Suprafaa activ (SA) Interstiiu frontal (hf) Semifabricat Crater de uzare (veu) SA Pata catodic Canal de gaz ionizat Descrcare electric SP Pata anodic Crater de prelevare (vep) Spaiu de lucru elementar

ZE Suprafaa prelucrat (SP)

Figura 2.1. Schema de principiu a prelucrrii prin eroziune electric

Procesul de eroziune electric

3

2.2. Procese elementare deeroziuneDescrcarea electric n impuls Amorsarea i strpungerea Evoluia descrcrii electrice

2.2.1. Descrcarea electric n impulselectric are loc prin impulsuri de tensiune i de curent, generate de o surs de curent continu, de aceea n perioada descrcrii electrice se disting dou tipuri de impulsuri (figura 2.2):

Descrcarea

Tensiune (u)

Ta

U0 Um Ud Curent (i)

Ti T

Tp

Timp (t)

Id Im

TC

Timp (t)

Figura 2.2. Parametrii impulsurilor electrice

Procesul de eroziune electric

4

Principalele procese fizice, care se desfoar n spaiul de lucru elementar, la nivel microscopic, sunt interdependente n tot timpul descrcrii electrice n impuls i pot fi grupate n cteva etape de desfurare a procesului elementar de eroziune electric:

Amorsarea i strpungerea dielectricului Evoluia descrcrii electrice ndeprtarea materialului prelevat Fenomene specifice n lichidul dielectric

2.2.2. Amorsarea i strpungerea Amorsarea descrcrii electrice este definit prin totalitatea fenomenelor

care au loc n perioada pregtirii i formrii n lichidul dielectric a canalului gazos, ionizat, cu conductibilitate electric bun.Caracteristica principal a acestui proces este timpul de amorsare - Ta, care reprezint timpul scurs din momentul aplicrii impulsului de tensiune ntre cei doi electrozi i pn la strpungerea licidului dielectric din interstiiu. Fenomenul este posibil prin emisie autoelectric la nivelul miscroasperitilor catodului; electronii emii sunt dirijai de cmpul electrostatic n direcia anodului, iar n urma ciocnirilor frecvente pe care le au cu moleculele de lichid dielctric, produc ridicarea temperaturii lichidului din jurul spaiului elementar. n acest fel au loc transformri locale de stare, formndu-se microincinte gazoase, n care apar fenomene de ionizare (figura 2.4).

Dielectric

-

Electrod Cmp electric ()

Interstiiu (hi)

Microcanal de gaz ionizat

+

Semifabricat

Figura 2.4. Formarea canalului de gaz ionizat

Procesul de eroziune electric

5

Etapele amorsrii unei descrcri electrice i a strpungerii lichidului dielectric sunt prezentate n figura 2.5.

Formare coloan de plasm

Dielectric

Electrod

-

Canal de gaz

+

Semifabricat Timp = T1

+Timp = T2

u

Amorsare u = U0 i=0 Strpungere u i

T1i

T2

t

t

Figura 2.5. Impulsul electric - amorsarea i strpungerea T1 - timp de ntrziere; T2 - timp de strpungere Intervalul de timp, cu caracter aleatoriu, necesar pregtirii locale a condiiilor de amorsare i strpungere se numete timp de ntrziere T1. Microcanalul de gaz atinge suprafaa anodului i lichidul din interstiiu este complet strpuns pe intervalul numit timp de strpungere - T2.

Procesul de eroziune electric

6

2.2.2. Evoluia descrcrii electrice Descrcarea electric prin microcanale de gaz se desfoar n dou faze (figura 2.6):ionizarea microcanalului gazos i formarea unei coloane de plasm, cu temperatura de 5.104 8.104 K; trecerea curentului prin microcanal i declanarea descrcrii electrice. Coloan de plasm

Crater de metal topit

-

Metal topit i vapori

+Timp = T3 Ionizare u i

+Timp = T4

u

Descrcare Topire i vaporizare

u = Ud i = Id

T3i

T4

t

t Figura 2.6. Impulsul electric evoluia descrcrii electrice T3 - timp de ionizare; T4 - timp de descrcare

Procesul de eroziune electric

7

Procesele fizice care se desfoar n spaiul de lucru elementar, la o descrcare electric singular, sunt legate ntre ele ca n figura 2.7.

Mecanism de iniiere Ionizare microcanal de gaz

Dezvoltare microcanal de plasm

Timp = T3Transfer energie electric n spaiul de elementar Formare pete electrodice Transformare energie

Topire i vaporizare

Formare crater de metal topit Formare strat de vapori

Timp = T4Stingere descrcare electric Expulzare material

Timp = T5Figura 2.7. Procese din spaiul elementar de eroziune la o descrcare electric Energia cinetic a sarcinilor electrice spaiale, accelerate spre electrodul-anod, respectiv spre electrodul-catod, este cedat, prin impact, la suprafaa celor dou corpuri i se transform, n principal, n energie termic. Aceast transformare, energie electric energie termic, are loc la nivelul petelor electrodice, care se comport ca surse termice locale de temperatura ridicat, capabile s declaneze procesul de eroziune termic.

Procesul de eroziune electric

1

2.3. Efectele descrcriielectrice n impulsndeprtarea materialului Fenomene specifice n dielectric

Efectul

eroziv al descrcrilor electrice ntr-un mediu lichid a fost descoperit de fizicianul englez Joseph Priestley (1800). Drumul spre aplicarea acestui proces la prelucrarea dimensional a meterialelor metalice a fost deschis de omul de tiin rus A.V. Lazarenko (1942), care a pus bazele teoriei eroziunii electrotermice.

Descrcrile electrice n impuls sunt caracterizate prin transformarea concentrat, n timp i spaiu, a energiei electrice n energie termic, mecanic, chimic, acustic, luminoas, etc., densitatea volumic de energie atingnd valori maxime de 30 000 J/mm3, iar densitatea de putere de aproximativ 300 kW/mm3. Ipoteze ale teoriei eroziunii electrotermice: interstiiul de lucru este considerat ca un element al circuitului electric catod - dielectric (canal ionizat) - anod, fiind asimilat cu o rezisten neliniar plasma din canalul descrcrii poate fi considerat izoterm densitatea electronilor este constant in interiorul canalului de descrcare, iar distribuia lor este maxwellian pe suprafaa electrozilor se formeaz surse de caldur plane de scurt durat.

Procesul de eroziune electric

2

Principalele procese fizice, care se desfoar n spaiul de lucru elementar, la nivel microscopic, se mpart n trei grupe, prezentate n figura 2.3.

Procese la catod

Procese termice pe suprafaa (PTS

C)

Formarea peliculei de protecie (FPP

C)

Procese la anod

Procese termice n microcratere (PTM Dizolvare anodic (DAA)

A)

Evacuarea produselor de eroziune din microcratere (EPE A)

Procese n dielectric

Formarea canalului gazos (FC Formarea undelor de oc (FUS Piroliza (P D)

D)

D)

Figura 2.3. Procese fizice specifice descrcrii electrice n impuls

Procesul de eroziune electric

3

Efectele generale ale proceselor fizice care au loc n interstiiu sunt prezentate n figura 2.9.

PTM A

DA A

EPEA

FCD

FUS D

PD

FPPC

PTS C

Formarea particulelor i alte produse

Evacuarea produselor electroerozive

Uzura electrodului

Viteza de eroziune

Rugozitatea suprafeei

Schimbarea structurii

Precizia prelucrrii

Figura 2.9. Efectele proceselor fizice din interstiiu Principalele efecte ale descrcrilor electrice sunt:

ndeprtarea materialului de pe suprafaa electrozilor fenomene specifice n lichidul dielectric

2.3.1. ndeprtarea materialului n mecanismul ndeprtrii materialului, afectat de eroziunea electric, un rol importantl deine efectul termic al descrcrii electrice, numit prelevare termic. Pentru desfurarea procesului eroziv elementar sunt necesare dou condiii:

A. activarea energetic local a straturilor de material B. expulzarea materialului din craterul de eroziune

Procesul de eroziune electric

4

Activarea energetic localFaptul c materialul ndeprtat prin eroziune electric a suferit transformri sub aciunea energiei termice este confirmat de urmatoarele aspecte:

forma i aspectul craterelor de eroziune forma sferic i structura particulelor expulzate din craterele de eroziune structura stratului de suprafa al materialului supus procesului de eroziuneFluxul termic generat de prezena n interstiiu a coloanei de plasm termic, la nivelul careia are loc conversia eneriei electrice n energie termic, are urmtoarele componente (figura 2.10) :

Qe, Qs - energie termic de topire i vaporizare a metalului de pe suprafaa electrodului, respectiv a semifabricatului; Qae, Qas - energie termic de activare a straturilor de metal aparinnd celor dou corpuri; Qdc - caldur disipat in interstiiu din coloana descrcrii electrice; Qde, Qds - caldur disipat in interstiiu prin conducie termic de la electrod i semifabricat (e - electrod, s - semifabricat)Dielectric

Qde

Qae

Electrod

Qe

Qdc

QQp

Qdc

InterstiiuQdp

+

Qap

Semifabricat

Figura 2.10. Distribuia fluxului de energie termic n interstiiu

Procesul de eroziune electric

5

Conform legilor termodinamicii, fluxul total de cldur, care se propag pe direcia axei descrcrii, rezult ca o sum format din fluxurile generate de sursele pariale de cldur existente la nivelul craterului de metal topit (figura 2.11)

Crater de eroziune (metal topit)Q3 Q4 Q1 Q2 Q1 Q3 Q4

Semifabricat

QT

Figura 2.11. Surse termice pariale la nivelul craterului elementar n realitate, influenele de temperatur se suprapun prin aciunea reciproc a surselor de cldur, formndu-se o izometrie sferic, confirmat experimental prin forma (aproximativ) de calot sferic a seciunii axiale a craterului de eroziune.

Expulzarea materialuluiForele care nving legturile interatomice i provoac ndeprtarea materialului activat pot fi de natur termodinamic, electrostatic, electrodinamic, termomecanic sau hidrodinamic.

Teorii i ipoteze ale procesului elementar de eroziune: Eroziunea termic. Consider c eroziunea celor doi electrozi este datorat proceselor termice intense, care au loc n imediata vecintate a microcanalului de descrcare. Eroziunea prin explozie. Electronii, dup strpungerea lichidului dielectric, formeaz un flux de sarcini negative, care d natere unei explozii dirijate. Eroziunea prin oc. ndeprtarea de material este datorat electronilor accelerai, cu viteze foarte mari, printr-o sarcin pozitiv puternic. Extingerea electric. Se bazeaz pe crearea unei densiti mari a curentului din coloana descrcrii, datorit cmpului electric din interstiiu.

Procesul de eroziune electric

6

Teorii i ipoteze ale expulzrii materialului topit :

expulzarea termodiamic smulgerea electrostatic ruperea termomecanicMecanismul de baz al expulzrii de material din craterul de eroziune este dat de teoria eroziunii electrotermice a lui Lazarenko i explicat prin expulzarea termodinamic (figura 2.12), celelalte fenomene avnd doar un rol secundar.

Particule de metal topit Metal topit

-

+Timp = T5

+Timp = T6 Crater de uzare Bule de gaz Particule solide

-

+Timp = T7u

Crater de prelevare Stingere u Expulzare material i Implozie u=0 canal de gaz i = 0 Formare crater de eroziunet

T5

T6

T7

Figura 2.12 Fazele expulzrii materialului activat termic T5 - timp de stingere a arcului electric i expulzarea materialului; T6 timp de distrugere a canalului de gaz; T7 - formarea craterului de eroziune

Procesul de eroziune electric

7

Expulzarea termodinamicExplic mecanismul de ndeprtare a materialului sub aciunea fazei de vapori. Masa de material topit se supranclzete ajungnd n stare critic, formndu-se un numr mare de microincinte de vaporizare exploziv, care se dilat cu vitez mare. La ntreruperea impulsului presiunea din microcanalul de gaz scade instantaneu, rezultnd o evaporare exploziv a materialului topit, care ejecteaz metalul topit din crater sub form de picturi lichide. n contact cu masa de lichid dielectric particulele de metal topit se resolidific, la fel ca i metalul topit rmas n crater. Rezult c la sfritul unei perioade a impulsului de tensiune, n spaiul elementar de eroziune s-au format:

- crater de eroziune la electrodul-anod, numit crater de prelevare; - crater de eroziune la electrodul-catod, numit crater de uzare; - deeu tehnologic format din mulimea particulelor solide din interstiiu.Volumul mediu al craterului elementar de eroziune este dependent de:

-

forma i durata impulsului electric; raza canalului ionizat; potenialul energetic de descrcare; variaia temperaturii la suprafaa electrodului; "rezistena la eroziune" a materialului electrodului.

Rezistena la eroziune se exprim prin capacitatea materialului de a-i pstra integritatea la aciunea eroziv a descrcrilor elctrice, indiferent de factorii geometrici ai zonei de lucru. Nivelul de prelucrabilitate a materialului poate fi apreciat folosind criteriul stabilitii termice - Palatnik

2 2 P = M C Tt T0 3

(

)

sm

n care: M este densitatea materialului; - conductivitatea termic; C - cldura specific; Tt - temperetura de topire; T0 - temperatura mediului ambiant. Valorile mari ale factorului P indic un material rezistent la eroziune electrotermic, iar valorile mici, caracterizeaz un material cu o bun prelucrabilitate prin eroziune.

Procesul de eroziune electric

8

2.3.2. Fenomene specifice n lichidul dielectriclichidul dielectric utilizat este de tip hidrocarbur, pe lng particulele produse prin eroziunea electrozilor, n interstiiu apar i particule solide, gazoase sau n stare dizolvat produse prin piroliz (azot, bioxid de carbon, parafine, gudroane, etc.). Datorit gradientului mare de temperatur i a timpului foarte scurt de desfurare a procesului de piroliz (mai mic de 0,1 s), se formeaz o mare cantitate de gaze sub presiune ntr-un spaiu ngust, determinnd o situaie asemntoare exploziei. Se creeaz un salt brusc de presiune, care, la rndul su, determin formarea unei unde de oc hidromecanice, cu centrul de propagare situat n axa canalului de descrcare electric. Aceast und mpreun cu cea produs de explozia stratului de vapori supranclzii antreneaz n micare produsele solide i gazoase rezultate n urma procesului de eroziune. Micarea acestor produse se realizeaz dup o direcie predominant, i anume, direcia n care rezistena hidraulic a lichidului dielectric din interstiiu este minim. Lungimea medie a deplasrii libere - Lm - distana pe care o particul se poate deplasa sub aciunea undei de oc, n afara interstiiului (figura 2.13).

Deoarece

1. Lm > RE - evacuarea produselor eroziunii are loc pe cale natural, iar interstiiul este curat de deeul tehnologic 2. Lm < RE - particulele nu pot prsi interstiiul, formnd mici insule, care conin aglomerri de impuritai Electrod SA RE

Dielectric Lm SP

Direcie de deplasare liber

Semifabricat Particule solide (deeu tehnologic)

Figura 2.13. Deplasarea liber a particulelor de eroziune n interstiiu Lm - lungimea de deplasare liber; RE - dimensiunea trasversal a suprafeei active a electrodului

Procesul de eroziune electric

9

ObservaiiDesfurarea n condiii optime a procesului de eroziune electric depinde de urmtorii factori i parametri:

materialul electrodului-catod: Electrod - conductivitatea electric; - conductivitatea termic; - temperatura de topire; - rezistena la coroziune; materialul electrodului-anod: Semifabricat - conductivitatea termic; - conductivitatea electric; - temperatura de topire; mediul de lucru Dielectric

- rezistivitatea electric; - proprietile fizico-chimice; - vscozitatea; - temperature de ardere;

puterea electric a descrcrii electrice; perioada impulsului de tensiune; grosimea interstiiului de scnteiere. Procesele microscopice de eroziune determin formarea, pe suprafaa semifabricatului, a unei mulimi de cratere de eroziune elementare, care, prin dimensiunile i numrul lor influeneaz viteza de eroziune a materialului i textura suprafeei prelucrate. Volumul craterelor elementare de eroziune este direct influenat de energia descrcrilor electrice. Adncimea creterelor de eroziune este direct influenat de energia descrcrilor electrice i determin, la rndul ei, microgeometria asperitilor de pe suprafaa prelucrat (rugozitatea).

Prelucrarea dimensional prin eroziune

1

3.1. Procese macroscopicede eroziunePrincipiul generrii suprafeelor prin eroziune Metode de generare

3.1.1. Principiul generrii suprafeelordimensional a suprafeelor prin eroziune electric (EDM Electrical Discharge Machining) este posibil datorit proprietii de selectivitate a procesului de amorsare a descrcrilor electrice, care const n localizarea acestora n zonele cu interstiiu real minim. Descrcrile n impuls se amorseaz numai la anumite valori ale grosimii interstiiului, cuprinse ntre interstiiul maxim - hmax, pn la care se produce strpungerea lichidului dielectric, i interstiiul de scurtcircuit - hmin. (figura 3.1).

Prelucrarea

Avans Z Electrod Interstiiu lateral (hl) Suprafaa activ (SA)

Detaliu Suprafaa prelucrat (SP)

Interstiiu frontal (hf) Semifabricat

Figura 3.1. Generarea dimensional prin eroziune la nivel macrogeometric

Prelucrarea dimensional prin eroziune

2

Prelevarea de material pe un impuls - este dependent direct de mrimea interstiiului activ interstiiul frontal - hf, avnd un caracter discontinu. pentru h > hmax i h < hmin, rezult = 0, deci procesul de amorsare, i implicit cel de prelevare, nu are loc pentru hmin < h < hmax, rezult > 0, deci procesul eroziv se desfoar cu prelevare de materialPrincipiul generrii la nivel microgeometric este explicat astfel (figura 3.2) :

Sistem de avans automat Electrod

Avans Z (Va) hmin

Ud Id

Dielectric

de2 C1

de1 Hce

de3 C3

hi hj HSi hn hmax

C2

Generator de impulsuri Semifabricat Strat i Strat j Strat n

Eroziune (Ve)med

Figura 3.2. Generarea la nivel microgeometric (detaliu)

un impuls electric va fi nsoit de o descrcare electric singular - de1, care va determina prelevarea unei cantiti de material corespunztoare craterului de eroziune - C1 deoarece n zona craterului C1 interstiiul real a crescut de la hi la hj (hj > hi), o alt descrcare electric se va produce ntr-o alt zon, acolo unde hi < hj amd, pn cnd este ndeprtat ntregul strat de material - i, de grosime medie egal cu adncimea medie a craterelor de eroziune Ci - HSi

Prelucrarea dimensional prin eroziune

3

un proces analog se va desfura i n stratul de material urmtor j, i n urmtoarele - n, pn cnd interstiiul real hn > hmax n aceast poziie procesul de amorsare i de prelevare nceteaz ptrunderea n profunzimea materialului la o dimensiune mai mare dect interstiiul maxim - hmax i continuarea generrii dimensiunii programate se realizeaz printr-o micare de avans pentru meninerea interstiiului real la nivelul unei valori optime, numit interstiiu de echilibru - he, viteza de avans a electrodului - Va trebuie meninut la nivelul vitezei medii de eroziune - (Ve)med a materialului de pe suprafaa semifabricatului.

3.1.1. Metode de generare prin eroziune Problema generrii suprafeelor prin eroziune cu electrod masiv este rezolvat, la oraactual, folosind urmtoarele metode de generare:

Metode de generare EDM 1D Generare liniarSuprafaa se obine prin interpolare liniar dup axa Z

EDM 2D Generare planSuprafaa se obine prin interpolare plan dup axele X-Y

EDM 3D Generare spaialSuprafaa se obine prin interpolare spaial dup axele X-Y-Z i axa integrat de rotaie C

Prelucrarea dimensional prin eroziune

4

Generarea liniar - EDM-1D prelucrarea are loc printr-o micare relativ a cuplului electrod semifabricat dup o traiectorie perpendicular pe suprafaa de prelucrat, sau paralel cu axa geometric a suprafeei electrodul este un corp masiv caracterizat prin suprafaa de lucru (de scnteiere) numit suprafaa activ - SA, de form conjugat cu a suprafeei int a semifabricatului numit suprafaa de prelucrat SP i cu dimensiuni corectate (figura 3.3) suprafaa semifabricatului se obine prin copierea spaial simpl a formei suprafeei - SA, electrodul efectund o micare de avans n lungul axei Z. Electrod

Avans ZZ

SP SAX

Y

SemifabricatFigura 3.3. Generarea liniar - EDM-1D

Prelucrarea dimensional prin eroziune

5

Generarea plan - EDM-2D prelucrarea are loc printr-o micare relativ a cuplului electrod semifabricat dup o traiectorie paralel cu suprafaa de prelucrat, sau perpendicular pe axa geometric a acestei suprafee forma seciunii transversale a suprafeei active a electrodului este simpl (circular, ptrat, triunghiular, etc.) suprafaa semifabricatului se obine prin interpolare plan dup axele X-Y pentru uniformizarea uzurii, electrodul pate avea i o micare de rotaie n jurul axei Z, (figura 3.4)

Avans Z

Z

Electrod

Y

Rotaie

SAX

SP

Interpolare X-Y

SemifabricatFigura 3.4. Generarea plan - EDM-2D

Prelucrarea dimensional prin eroziune

6

Generarea spaial - EDM-3D prelucrarea are loc printr-o micare relativ a cuplului electrodsemifabricat dup o traiectorie complex n spaiu suprafaa semifabricatului se obine prin interpolare spaial dup axele X-Y-Z i dup axa integrat C (interpolare circular n jurul axei Z) (figura 3.5). ElectrodZ

Axa C

SP

Interpolare X-Y-ZY X

SA SemifabricatFigura 3.5. Generarea spaial - EDM-3D

Caracteristici erozive i tehnologice

1

3.2. Caracteristici erozivei tehnologiceCaracteristici de prelevare Caracteristici de uzare Precizia de prelucrare Caracteristici de calitate

Caracteristicile tehnologice sunt mrimi care exprim cantitativ icalitativ transformrile suferite n urma procesului de eroziune electric att de ctre semifabricat, ct i de ctre electrod. Caracteristici tehnologice Caracteristici de prelevareMrimi care exprim cantitativ eroziunea materialului de pe suprafaa semifabricatului

Caracteristici de uzareMrimi care exprim cantitativ eroziunea materialului de pe suprafaa electrodului

Precizia de prelucrareGradul de realizare a suprafeei generate pe semifabricat din punct de vedere macrogeometric

Caracteristici de calitateMrimi determinate de aspectul microgeometric, exprimat prin rugozitate, i de aspectul fizic i structural, exprimat prin grosimea i structura stratului superficial modificat termic

Caracteristici erozive i tehnologice

2

3.2.1. Caracteristici de prelevarePrincipalele mrimi care exprim cantitativ eroziunea materialului de pe suprafaasemifabricatului, aciune numit prelevare, sunt:

Voluml prelevrii totale - VP

VP = v Pm f IP Te [mm 3 ]n care: vPm este volumul mediu al craterelor elementare de prelevare; fIP - frecvena impulsurilor de prelevare (impulsuri realizate ntre electrod i semifabricat); Te - timpul de eroziune (timpul de lucru).

Debitul de material prelevat - QP , exprim voluml de material prelevat n unitate de timp (productivitate sau vitez de eroziune)

Q P = v Pm f IP ,

sau Q P =

VP Te

[mm 3 / min]

Debitul specific - qP , caracterizeaz eficacitatea energetic a procesului de eroziune

qP =

QP Im

[mm 3 / A min]

n care Im este curentul mediu de lucru.

3.2.2. Caracteristici de uzare Principalele mrimi care exprim cantitativ eroziunea materialului de pe suprafaa electrodului, aciune numit uzare, sunt:Voluml uzrii totale - VE

VE = v Em (f IP + f IM ) Te [mm 3 ]n care: vEm este volumul mediu al craterelor elementare de eroziune de pe suprafaa electrodului; fIM - frecvena impulsurilor de mrunire (impulsuri ntre electrod i deeul tehnologic);

Caracteristici erozive i tehnologice

3

Debitul de material uzat - QE , exprim voluml de material erodat (uzat) n unitate de timp (vitez de uzare)

Q E = v Em (f IP + f IM ),

sau Q E =

VE Te

[mm 3 / min]

Debitul specific al uzrii - qE

qE =

QE Im

[mm 3 / A min]

Uzura relativ volumic ur , exprim, procentual, volumul de material erodat de pe suprafaa activ a electrodului corespunztor prelevrii unui vulum unitar de material de pe suprafaa semifabricatului

ur =

VE 100 [%] VPStabilitatea la eroziune - E , este o mrime global, determinat n condiii concrete de prelucrare, i exprim "rezistena la eroziune" a materialului electrodului

E =

V 1 100, sau E = P 100 [%] ur VE

3.2.3. Precizia de prelucrare Este definit de gradul de realizare a suprafeei generate pe semifabricat, din punct devedere macrogeometric prin:

- precizia dimensiunilor liniare i unghiulare; - precizia formei i poziiei reciproce a suprafeei prelucrate.Precizia este exprimat prin abateri ale elementelor geometrice efective:

Abaterea liniar local - AL

A L = LP L N

[mm]

n care: LP este lungimea local a dimensiunii prelucrate, msurat n direcia avansului; LN - lungimea nominal a dimensiunii programate;

Caracteristici erozive i tehnologice

4

Abaterea curburii locale - AK

AK =

1 R KP

1 R KN

[mm 1 ]

n care: RKP este raza de curbur a suprafeei prelucrate; RKN - raza nominal de curbur;

Abaterea orientrii locale - A , se determin pentru o suprafa n funcie de direcia de control

A = P N

[grd]

n care este unghiul direciei de control msurat fa de normala la suprafa n punctul de control. Precizia de prelucrare prin eroziune electric este influenat i de unele efecte secundare ale descrcrilor electrice n impuls:

nclinarea / conicitatea pereilor laterali ai cavitii prelucrateAcest efect rezult datorit faptului c zona superioar a pereilor suprafeei prelucrate este supus unui numr mai mare de descrcri electrice, comparativ cu zona inferioar (figura 3.6). hl [mm]400 300

hl = f(Wd) = f(Wd) hl Electrod

[grd]4 3 2

Interstiiu lateral

200 100

1

Pies0,1 0,2 0,3 1,0 2,0

Energie de descrcareFigura 3.6. Efecte secundare la prelucrarea prin eroziune electric

Wd [J]

Conicitate

Caracteristici erozive i tehnologice

5

Lrgirea cavitii, sau mrirea dimensiunilor pe direcie perpendicular cu direcia avansuluiAcest efect se datoreaz descrcrilor electrice din interstiiul lateral; grosimea maxim a interstiiului lateral este dependet de puterea descrcrilor i, deci, de dimensiunea medie a craterelor elementare.

3.2.4. Caracteristici de calitate Calitateasuprafeelor prelucrate prin eroziune electric este determinat de aspectul microgeometric, exprimat prin rugozitate, i de aspectul fizic i structural, exprimat prin grosimea i structura stratului superficial modificat termic.

Rugozitatea suprafeeiPoate fi apreciaz prin urmtoarele criterii:

Raportul de umplere - Ru

S Ru = N SPn care: SN - aria nominal a suprafeei programate; SP - aria real a suprafeei prelucrate n cazul suprafeelor prelucrate prin eroziune electric valorile acestui raport sunt cuprinse n intervalul 0,460,49, comparativ cu prelucrarea prin achiere, la care raportul este cuprins ntre 0,40,6.

nlimea microneregularitailor (rugozitate) RSe definete prin totalitatea microaperitailor msurate pe lungimea unei zone aleas drept lungime de baz. Criterii utilizate pentru msurarea rugozitii:

- nalimea maxim Rmax - nlimea medie Rz - abaterea medie aritmetic a profilului fa de linia mijlocie Ran cazul prelucrrii prin eroziune electric cel mai utilizat este criteriul Rmax, criteriul Ra fiind folosit doar pentru a compara rugozitatea suprafeelor erodate, cu cea a suprafeelor obinute prin alte procese de prelucrare. Experimental s-a constatat o variaie exponenial a rugozitii cu energia descrcrii (figura 3.7).

Caracteristici erozive i tehnologice

6

Rmax [m]25

Rmax = f(Wd)

12

Microgeometria suprafeei prelucrate Rmax

Rugozitate

6,2 3,2

100 0,1

Pies0,3 0,5 0,8 1,0

Energie de descrcareFigura 3.7. Rugozitatea suprafeelor prelucrate prin diverse procedee

Wd [J]

O caracteristic important a procesului de eroziune electric, care determin mrimea rugozitii este adncimea craterelor elementare de eroziune - Hce. Hce este influenat n mod direct de energia descrcrilor electrice

x H ce K H Wd

[mm]

n care: KH etse o constant de material; Wd - energia de descrcare. Experimental se poate determina i relaia de calcul a rugozitii

y R max = K exp Wd f IP [m]n care: Kexp este un coeficient experimental; fIP - frecvena impulsurilor electrice.

Caracteristici erozive i tehnologice

7

Stratul superficial

Eroziunea electric n stratul de suprafa al materialului supus prelucrrii este nsoit de procese termice intense, care determin topirea i vaporizarea local a materialului.Cea mai mare parte din materialul topit este expulzat n mediul lichid sub form de picturi, formnd aglomerri de particule solide, numit deeu tehnologic, iar o mic parte se resolidific pe suprafaa i n jurul craterului de eroziune.

Pot fi identificate, n stratul de suprafaa al materialului, urmtoarele zone(figura 3.8):

stratul alb - SA; zona durificat - ZD; zona influenat termic - ZT; zona nemodificat (material de baz) - ZMB.Duritate Vickers400 600 800 1000

Suprafaa erodatSA ZD ZT

Hv

ZMB

Pies

Figura 3.8. Structura stratului superficial modificat termic Grosimea medie i structura primelor trei zone sunt influenate de :

- valorile parametrilor electrotehnologici, care determin nivelul energetic al descrcrilor - proprietile electro-fizice ale materialului piesei de prelucrat - proprietile electro-fizice ale dielectricului lichid.

Prelucrarea dimensional prin eroziune

1

de prelucrare EDM

4.1. Proiectarea tehnologieiEtapele procesului de proiectare Faze de prelucrare Materiale pentru electrozi Mediul de lucru

4.1.1. Etapele procesului de proiectare Proiectareapreliminar ct i proiectarea tehnologic a unui proces de eroziune electric se realizeaz, la ora actual, utiliznd dou sisteme:

Sisteme de proiectare tehnologic

Proiectare clasic Activitile de proiectare sunt realizate pe baza prescripiilor normalizate, standarde i recomandri tehnologice ale firmelor productoare de echipamente Proiectare asistat O parte sau toate etapele activitii de proiectare sunt realizate cu ajutorul unor programe de desenare, dimensionare, modelare i simulare pe calculator

Prelucrarea dimensional prin eroziune

2

Pentru ambele sisteme de proiectare itinerariul activitilor de proiectare tehnologic a unei operaii de prelucrare dimensional prin eroziune electric cuprinde urmtoarele etape:

Etapele proiectrii tehnologice

E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E10

Identificarea obiectivelor operaiei de prelucrare Determinarea numrului de faze i a numrului de treceri din fiecare faz Alegerea materialului pentru electrozi / dielectric Stabilirea i dimensionarea regimului de prelucrare Dimensionarea suprafeelor active ale electrozilor Stabilirea ciclurilor de programelor de prelucrare generare i editarea

Modelarea numeric a erorilor de prelucrare Simularea operaiei de prelucrare Normarea tehnic a operaiei ntocmirea / tiprirea documentaiei tehnice

Etapele E6*, E7*, E8* sunt specifice proiectrii asistate, coninutul lor fiind dependent de tipul instalaiei de prelucrare, tipul echipamentelor de comand i a limbajelor de programare.

Prelucrarea dimensional prin eroziune

3

Obiectivele operaiei de prelucrareSistematizarea datelor iniiale pentru proiectare se realizeaz prin identificarea criteriilor dup care se confrunt obiectul i scopul prelucrrii cu capacitatea instalaiei tehnologice de eroziune electric i cu posibilitile tehnico-economice de fabricare a electrozilor (tabelul 4.1). Tabelul 4.1. Condiii iniiale pentru proiectarea tehnologiei electroerozive Sursa Specificaia

Materialul Obiectul prelucrrii Forma suprafeei Calitatea prelucrrii

Natura materialului Structura i proprietile fizico-mecanice Modificri structurale anterioare Volumul i aria transversal Dimensiuni liniare i unghiulare Complexitatea formei Precizia dimensional Rugozitatea Grosimea, structura stratului superficial Caracteristici tehnico-funcionale Generatorul de impulsuri electrice Sistemul de avans automat Sistemul de alimentare cu dielectric Sistemul de comand i programare Documentaia tehnologic Echipamente pentru micri auxiliare Sisteme de poziionare, centrare, fixare Sisteme de msurare, testare Caracteristici electro-fizice ale dielectricului lichid Caracteristici electrice, termice ale materialului pentru electrozi Metode i procedee de fabricare Variante tehnologice de prelucrare Sisteme de msurare i control Condiii de instalare pe main

Maina de prelucrat Instalaia tehnologic Echipamente tehnologice Materiale auxiliare

Tehnologia de fabricare a electrozilor

Prelucrarea dimensional prin eroziune

4

4.1.2. Faze de prelucrarede faze de prelucrare este determinat de necesitatea realizrii calitii i preciziei dimensionale a suprafeei prelucrate. Aceste dou caracteristici impun regimuri de prelucrare difereniate prin nivelul parametrilor electrotehnologici i, n final, prin valorile caracteristicilor tehnologice.

Numrul

Regimuri de prelucrare Degroare debit de material prelevat mare uzur relativ volumic mic rugozitate mare strat superficial de grosime mare i structur cu duritate mare Finisare debit de material prelevat mic uzur relativ volumic mare rugozitate mic strat superficial de grosime foarte micNumrul fazelor de prelucrare se poate determina n funcie de urmtoarele trei cazuri:

Suprafee cu Ra = 0,4 1,5m 1. DEGROARE 2. FINISARE 1 3. FINISARE 2 Suprafee cu Ra = 1,6 3,0m 1. DEGROARE 2. (FINISARE 1) 3. FINISARE 2 Suprafee cu Ra > 3,2m 1. DEGROARE 2. FINISARE 1

trei faze de relucrare

dou trei faze de prelucrare

dou faze de prelucare

Prelucrarea dimensional prin eroziune

5

ObservaiiObinerea unor suprafee cu rugozitate mai mic dect Ra = 0,4m este posibil numai pe instalaii i n condiii tehnologice speciale prin superfinisare electroeroziv. La piese de configuraie complicat, care prezint caviti cu suprafaa de prelucrat mare i cu adncime mare, nainte de a se ajunge la cota final se prevd doi sau mai muli electrozi pentru faza de degroare. Materialul primului electrod se va alege dup criteriul uzurii minime. Pentru cazuri speciale se pot folosi electrozi cu adaosuri iniiale pentru compensarea uzurii liniare. Pentru prelucrarea n serie, electrodul trebuie s aib uzura relativ liniar mai mic dect cmpul de toleran al suprafeei de prelucrat. Pentru realizarea unei suprafee cu dimensiuni n cmpurile de toleran impuse se determin un nivel limit al erorilor de prelucrare, n funcie de care se poate determina numrul fazelor de prelucare Lund n considerare doar uzura electrodului ca fiind singura surs a erorilor de prelucrare, prin care se exprim precizia suprafeei erodate, rezult c: pentru o operaie de prelucrare prin eroziune electric numrul minim de faze de prelucrare este NF = 2, reprezentnd fazele de Degroare + Finisare pentru o faz de prelucrare numrul minim de treceri este NE = 1, acelai cu al numrului de electrozi succesivi de acelai fel.

Prelucrarea dimensional prin eroziune

6

4.1.3. Materiale pentru electrozi Electrozii sunt obiecte metalice, care ndeplinesc dou funcii principale n procesul deeroziune electric:

- transferul energiei electrice primare de la generatorul de impulsuri n spaiul de lucru; - purttor al informaiilor despre dimensiunile i forma suprafeei ce urmeaz a fi prelucrat prin eroziune.Materialele din care se confeioneaz electrozii se mpart n dou grupe:

Materiale pentru electrozi Materiale clasice Cupru electrolitic Wolfram Alam Materiale speciale Grafit pentru eroziune Materiale compuse: wolfram-cupru, wolfram-argint, cupru - grafit

Criterii de alegere a materialelor pentru electrozi:

-

costul materialului propritile materialului semifabricatului precizia i calitatea impus suprafeei de prelucrat uzura relativ volumic a electrodului productivitatea prelucrrii volumul de fabricaie precizia de form i dimensional cerut electrodului gradul de prelucrabilitate a materialului pentru electrod

Principala direcie de alegere trebuie s o constituie obinerea unei uzuri minime la o prelevare maxim de material de pe semifabricat, cu att mai mult cu ct costul electrozilor reprezint 40 60% din costul total al prelucrrii prin eroziune electric.

Prelucrarea dimensional prin eroziune

7

Utilizarea unui material din cele dou grupe este recomandat n funcie de caracterul fabricaiei, astfel:

Materiale clasice

Fabricaie de unicate Fabricaie de serie mic

Materiale speciale

Fabricaie de serie mijlocie Fabricie de serie mare

Cupru electroliticDensitate Punct de topire Rezistivitate electric Caracteristici tehnologice: - 8,9 g/cm3 - 1083 oC - 0,0178 mm2/m

-

prelucrarea pieselor din oel; vitez de eroziune mare i uzur relativ mic; cost sczut; prelucrabilitate bun prin achiere, turnare, deformare plastic; coeficient de dilatare termic relativ mare; stabilitatea formei relativ sczut.

AlamDensitate Punct de topire Rezistivitate electric Caracteristici tehnologice: - 8,6 g/cm3 - 1165 oC - 0,1 0,24 mm2/m

-

prelucrarea pieselor din oel; regimuri de degroare; uzur volumic de aprox. 50 60%; prelucrabilitate foarte bun prin achiere, deformare plastic; cost sczut.

Prelucrarea dimensional prin eroziune

8

Wolfram - CupruDensitate Punct de topire Rezistivitate electric Caracteristici tehnologice: - 15 18 g/cm3 - 2500 oC - 0,045 0,055 mm2/m

-

pulbere cu 50 80% wolfram i 20 50% cupru (W75 - Cu25); prelucrarea pieselor din oeluri extradure, carburi metalice; regimuri de finisare; suprafee cu dimensiuni limitate; vitez de eroziune mare i uzur relativ foarte mic; prelucrabilitate dificil prin achiere; cost ridicat.

GrafitDensitate Punct de sublimare Rezistivitate electric Caracteristici tehnologice: - 1,6 1,85 g/cm3 - 3900 oK - 8 15 mm2/m

-

pulbere cu granulaie de 3 20 m i porozitate de 10 15%; prelucrarea pieselor din oel; regimuri de degroare, semifinisare i finisare; stabilitatea formei foarte bun; uzur volumic foarte mic; rezisten la ocuri termice i grad de dilatare termic redus; cost ridicat; prelucrabilitate bun prin achiere.

Cupru - GrafitDensitate Rezistivitate electric Caracteristici tehnologice: - 2,4 3,2 g/cm3 - 3 5 mm2/m

-

pulbere cu 65% Cupru i 35% Grafit; prelucrarea pieselor din oel, carburi metalice; uzur volumic foarte mic; cost foarte ridicat; suprefee complexe cu dimensiuni mici.

Prelucrarea dimensional prin eroziune

9

RecomandriTabelul 4.2. Materiale pentru electrozi la prelucrarea sculelor speciale

Dimensiuni de prelucrare Aria transversal[mm2] [mm] 10 12 10102 1240 102104 40100 104106 1001200

Lungimea conturului Tipuri de scule tane decupare, perforare Matrie de forjare Matrie pentru turnare sub presiune Matrie pentru injectare mase plastice i cauciuc Matrie pentru sinterizarea pulberilor Filiere

Material pentru electroziW-Cu Cu, Gr Cu W-Cu Cu Cu, Gr Cu W-Cu Cu W-Cu Cu Cu Cu Gr Cu Gr Cu Cu Gr Gr Gr Cu-Gr Gr Gr Gr

W-Cu W-Cu

Cu, Gr Cu, Gr

Tabelul 4.3. Materiale pentru electrozi caracterizare tehnologic

RugozitateRmax [m]

Material pentru electrozi Vitez de eroziune mareCu Gr Cu Gr Gr

Uzur relativ volumic micW-Cu W-Cu, Gr W-Cu, Gr W-Cu, Gr Gr

48 8 20 20 60 60 100 100 130

Prelucrarea dimensional prin eroziune

10

4.1.4. Mediul de lucru Mediul de lucru la prelucrarea prin electroeroziune se peprezint sub form de lichidedielectrice, care se impart n trei categorii:

Mediu de lucru Dielectric lichid Ap distilat Ulei industrial Petrol Dielectric activat

Prelucrarea prin electroeroziune cu eficien tehnico-economic ridicat impune ca lichidul dielectric s ndeplineasc urmtoarele condiii:

-

rezisten chimic mare fa de aciunea aerului conductivitate electric i termic reduse modificarea n limite foarte reduse a vscoziti punct de inflamabilitate mai mare de 40 oC capacitate de deionizare ridicat bun pasivitate chimic fa de materialele utilizate la prelucrare s-i pastreze un timp ndelungat proprietile fizic-chimice cost redus i s fie uor de recuperat / recirculat

Se prezint particularitile de utilizare a principalilor dielectrici lichizi utilizai pentru prelcrarea cu electrod masiv:

Ulei industrialVscozitate Temperatura de lucru Temperatura de aprindere Caracteristici tehnologice: - 2,6 3,3 oE - 50 oC - 115 135 oC

- hidrocarbura frecvent utilizat este uleiul de transformator; - debit de material prelevat 70 170 mm3/min.

Prelucrarea dimensional prin eroziune

11

PetrolVscozitate Temperatura de lucru Temperatura de aprindere Caracteristici tehnologice: - 0,95 1,1 oE - 20 oC - 64 oC

- cost sczut; - debit de material prelevat 60 150 mm3/min; - folosit cu predilecie n regimuri de finisare i penru supafee mici. Dielectric activatVscozitate Temperatura de lucru Temperatura de aprindere Caracteristici tehnologice: - 1,05 1,2 oE - 50 oC - 225 oC

- dielectrici activai cu Sulf (80 % petrol, 18 % hidrocarbur, 2 % sulf) - debitul de material prelevat crete cu 200 250 %; - uzura electrozilor se reduce cu 30 50 %.

Factori i parametri electro-erozivi

1

4.2. Dimensionarea

regimului de prelucrareParametri tehnologici Influena regimului de prelucrare asupra caracteristicilor tehnologice Metode de splare a spaiului eroziv

4.2.1. Parametri tehnologici Stabilirea regimurilor electrice de prelucrare se face n funcie de urmtoarele cerine:condiiile tehnice impuse prin proiectare forma cavitii de prelucrat toleranele de execuie volumul de producie, etc.

Regimurile electrice de prelucrare prin eroziune electric snt clasificate, orientativ n trei categorii :

Regim de prelucrare Categorie Degroare Semifinisare Finisare Parametri Polaritatea conectrii Intensitatea curentului Timpul de impuls Factorul de umplere Tensiunea de amorsare Presiunea dielectricului

Factori i parametri electro-erozivi

2

Tabelul 4.4. Parametrii regimurilor electrice

Categoria de regim Caracteristici tehnice Degroare Putere instalat [kVA] Energie pe impuls [J] Durat impuls [s] Frecven [kHz] Productivitate [mm3/min] Rugozitate [m]30 3 5 0,5 10000 100 0,05 3 30000 100 100 12,5

Semifinisare5 0,3 0,5 0,05 500 20 1 10 200 30 12,5 3,2

Finisare3 < 30 3,2 0,2

Stabilirea valorilor de reglare ale parametrilor electrotehnologici are o influen direct asupra caracteristiclor tehnolgice programate a se obine pe suprafaa erodat; pe acest considerent parametrii regimului de prelcrare se pot mpri n dou categorii:

Parametri de lucru Parametri electrici Parametri de baz Parametri secundari Parametri stabili Parametri de mediu Presiunea dielectricului Metoda de splare a spaiului de lucru Parametri de baz: - polaritatea conectrii - intensitatea curentulu de lucru - timpul de impuls Parametri secundari: - timpul de pauz (factorul de umplere) - tensiunea de mers n gol

Factori i parametri electro-erozivi

3

Tabelul 4.5. Criterii de alegere a regimului de prelucrare

Categoria de regim Criteriul de analizur a

Degroaremin i Qp a max i Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da Da ur a Da

Finisaremin Qp i a max i Da Da

Caracterul produciei Costul electrozilor Caracteristica prioritar a prelucrrii Rugozitate final Rmax [m] Toleranele suprafeelor prelucrate

unicat serie redus ridicat calitate stabilitatea procesului productivitate 11 11 22 22 mici mari

Da

Da Da

Da

spaial cilindric Forma cavitii spaial conic strpuns 0,1 Raza de 0,1 1 racordare a muchiilor 12 [mm] 2 foarte bune Condiii de splare a acceptabile suprafeei slabe

Da Da Da Da Da Da Da Da

Notaii: a circulaia dielectricului prin aspiratie; i - circulaia dielectricului prin injecie; ur - uzura relativ volumic a electrodului; QP - productivitatea prelucrrii.

Factori i parametri electro-erozivi

4impulsuri; se

Polaritatea conectriidefinete polul la care se conecteaz electrodul la generatorul de utilizez curent dou moduri de conectare:

- polariate direct electrodul se conecteaz la borna MINUS (-); - polaritate invers electrodul se conecteaz la borna PLUS (+).Se stabilete n funcie de (tabelului 4.6.):

regimul electric de prelucrare cuplul de materiale electrod semifabricat densitatea de curent reglatTabelul 4.6. Stabilirea polaritii de conectare (degroare)

Electrod Cupru Grafit Grafit Wolfram - Cupru

Polaritate Densitate de curent [A/cm2] Direct ( - ) Piese din oel Piese din carburi Invers ( + ) metalice+ + + 15 25 10 12 68 25 15 25 15 25

Intensitatea curentuluise stabilete n funcie de :

regimul electric de prelucrare mrimea suprafeei de prelucrat rugozitatea impus Timpul de impuls Acest parametru determin nivelul energetic al descrcrilor electrice i de aceea influeneaz puternic caracteristicile de prelucrare (productivitate, rugozitate, uzur, precizie). Timpul de pauzreprezint perioada n care, ntre dou impulsuri successive, tensiunea aplicat ntre electrod i semifabricat este nul. Diferitele tipuri de prelucrri au determinat faptul c uzura relativ volumic a electrozilor este minim pentru valori mici ale timpului de pauz, indiferent de polaritatea aleas i de materialul electrodului. reprezint durata de trecere a curentului electric n perioada descrcrii.

Factori i parametri electro-erozivi

5

4.2.2. Influena regimului de prelucrare asupra caracteristicilor tehnologice Valorile caracteristicilor tehnologice sunt influenate de o serie de factori i parametrielectrotehnologici, care, de fapt, constituie regimul de prelucrare:

Factori tehnologici Factori primari (de intrare)

Factori care reprezint aciunile mediului asupra sistemuluiFactori intermediari (de proces)

Parametri prin care se realizeaz transformarea tehnologicFactori finali (de ieire)

Factori de rspuns a aciunii sistemului asupra mediuluiPolaritatea conectriiDetermin efectul de polaritate, exprimat prin coeficientul de polaritate

Cp =

( ( VP+ ) VE+ )

( ( VE) VP)

=

u[+] r u[] r

,

n care: ur[+] este uzura relativ volumic la polaritate direct (electrod = catod[-]) ur[-] - uzura relativ volumic la polaritate invers (electrod = anod[+]) Astfel, s-a constatat c duratele mici ale impulsului electric determin ca mai multe sarcini negative (electroni) dect pozitive (ioni) s fie accelerate n interstiiu, avnd ca rezultat un raport disproporionat dintre energiile de impact ale sarcinilor spaiale. Aceasta va determina erodarea unei cantiti mai mari de material de la semifabricat i mai mici de la electrod (figura 3.9).

Factori i parametri electro-erozivi

6+

E

-

+

-

VE1 VP3 VP1+ P -

VE3

VE2 VP2

VE4

+

-

VP4

Ti1

Ti2

a) VE1 < VE2 VP1 > VP2Figura 3.9. Efectul de polaritate Se recomand:

Ti1 < Ti2

b) VE3 > VE4 VP3 < VP4

- polaritate direct pentru timp de impuls mic Ti < 200 s (a) - polaritate invers pentru timp de impuls mare Ti > 200 s (b) Tensiunea de amorsare U0Creterea tensiunii de amorsare are urmtoarele efecte:

scderea timpului de amorsare a descrcrilor electrice - Ta creterea grosimii interstiiului frontal hfIntensitatea curentului IEste un parametru reglabil n trepte sau programabil cu valori discrete, care determin amplitudinea curentului de descrcare - Id. Creterea intensitii curentului are drept consecin urmtoarele (figura 3.10):

creterea debitului de material prelevat (productivitate) QP, pentru orice cuplu de materiale electrod-semifabricat

Factori i parametri electro-erozivi

7

creterea uzurii relative volumice ur a electrozilor din Cupru i scderea lent pentru electrozii din Grafit, respectiv din Wolfram-Cupru pn la o valoare constant creterea rugozitii suprafeei erodate - Rmax creeterea grosimii interstiiului frontal hf, respectiv lateral hlE -

VE1 VP1+ P

VE2

VP2

Id1

Id2

hf1 Rmax1

hf2 Rmax2

VE1 < VE2 VP1 < VP2

Id1 < Id2

hEf1 < hf2 Rmax1 < Rmax2

Figura 3.10. Influena curentului asupra caracteristicilor tehnologice

Observaie Scderea intensitii curentului conduce la :

mbuntirea calitii suprafeei prelucrate, msur recomandat pentru reglarea regimului de finisare creterea uzurii electrodului.

Factori i parametri electro-erozivi

8

Timpul de impuls TiEste un parametru important al regimului de prelucrare prin eroziune, care determin nivelul energetic al descrcrilor electrice. Creterea timpului de impuls influeneaz (figura 3.11):

creterea debitului de material prelevat QP, printr-o variaie cu maxim scderea uzurii relative volumice ur, pentru toate materialele de electrozi creterea rugozitii suprafeei erodate - Rmax.E + +

VE1 VP1+ P

VE2

VE3

VP3 VP2Ti2

Ti1

Ti3

VE1 > VE2 > VE3 VP1 < VP2 > VP3

Ti1 < Ti2 < Ti3

Figura 3.11. Influena timpului de impuls asupra caracteristicilor tehnologice

Observaie Erodarea materialului cu impulsuri electrice de durat mic determin :

mbuntirea calitatii suprafeei prelucrate creterea uzurii electrodului.

Factori i parametri electro-erozivi

9

Timpul de pauz TpEste un parametru care determin valoarea energiei de descrcare pe unitatea de timp. S-a constatat c energia pe unitate de timp este mai mare cnd pauza dintre dou impulsuri consecutive de tensiune este mai mic. Timpul de pauz nu trebuie s fie mai mic dect timpul necesar deionizrii dielectricului lichid din zona descrcrii electrice, deoarece procesul de prelucrare devine instabil. Scderea timpului de pauz determin (figura 3.12):

creterea debitului de material prelevat QP scderea uzurii relative volumice ur, pentru toate materialele de electrozi scderea rugozitii suprafeei erodate - RmaxE +

VE1 VP1+ P Tp2

VE2

VP2

Tp1

VE1 > VE2 VP1 < VP2

Tp1 > Tp2

Figura 3.12. Influena timpului de pauz asupra caracteristicilor tehnologice Valoarea minim a timpului de pauz se regleaz n funcie de :

- geometria suprafeei active a electrodului - intensitatea curentului de lucru - metoda de ndeprtare a deeului tehnologic din spaiul de lucru.

Factori i parametri electro-erozivi

10

ObservaiiCreterea intensitii curentului are drept consecin: - creterea productivitii prelucrrii la orice pereche de materiale electrod - semifabricat - creterea uzurii relative a electrozilor din Cupru; pentru materialul Grafit i Wolfram Cupru variaia este nesemnificativ - creterea valorii rugozitii i a grosimii interstiiului Creterea timpului de impuls determin: - variaie cu maxim a productivitii prelucrrii - scderea uzurii relative a electrozilor - cretera rugozitii i a grosimii interstiiului. Creterea timpului de pauz determin : - micorarea productivitii prelucrrii - cretere uoar a uzurii relative a electrozilor. Creterea indirect a tensiunii de lucru (prin reacie extern asupra avansului) are drept urmare: - variaie cu maxim a productivitii prelucrrii - scdere lent a uzurii relative la electrozii din Cupru i variaii nesemnificative n cazul electrozilor din Grafit i Wolfram - Cupru.

Factori i parametri electro-erozivi

11

4.2.1. Metode de splare a spaiului eroziv Metodade splare a spaiului de lucru determin modul de circulaie a lichidului dielectric n timpul desfurrii procesului eroziv i se adopt n funcie de:

- caracteristicile piesei de prelucrat: dimensiuni, forma suprafeelor, precizie de execuie, rugozitate, etc. - categria de regim de prelucrare.Sunt utilizate curent urmtoarele metode de circulaie a dielectricului:

Circulaia prin injecie Se realizeaz prin practicarea de orificii n electrod, sau semifabricat, prin care se trimite cu presiune dielectricul n zona de lucru pentru ndeprtarea forat a deeului tehnologic. Se recomand la prelucrarea unor profile cu coniciti mici, guri adnci, etc., electrodul avnd seciune transversal constant i cu predilecie n regimuri de degroare.Pentru prelucrarea suprafeelor mari se recomand presiuni de injecie mai mici de 0,4 bari, iar pentru prelucrarea cavitilor adnci pot fi reglate presiuni de 1 1,5 bari.

Circulaia prin aspiraie Se realizeaz prin practicarea de orificii laterale n electrod, sau semifabricat, prin care se aduce dielectricul (prin absorbie cu dispzitive de vacum) n zona de eroziune. Se recomand n fazele de finisare, pentru obinerea de precizii ridicate de prelucrare, evitndu-se apariia conicitilor / nclinrilor pe suprafeele prelucrate. Circulaia tangenial Se utilizeaz n cazul n care nici n electrod, nici n semifabricat nu pot fi practicate orificii de circulaie interioar a dielectricului. Se recomand combinarea cu metoda de circulaie pulsatorie, ceea ce permite trecerea lateral a lichidului n perioada retragerii electrodului din zona de prelucrare. Circulaia pulsatorie Se realizeaz prin trimiterea dielectricului n zona de lucru n perioada de retragere (relaxare) a electrodului, cnd i procesul eroziv este interrupt. Este favorizat splarea n bune condiii a sprafeei erodate, uzarea uniform a suprafeei active a electrodului i mbuntirea preciziei de prelucrare.

Factori i parametri electro-erozivi

1

4.3. Elemente de calcultehnologicDimensionarea electrozilor Optimizarea tehnologiei de prelucrare

4.3.1. Dimensionarea electrozilor Construcia i forma geometric a electrozilor trebuie s in seama de :- uzura produs ca urmare a fenomenelor electroerozive, n special pe suprafaa activ frontal (direcia de avans a electrodui)Aceasta mrime a uzurii este variabil n timp i este influenat direct de metoda de prelucrare.

- forma i dimensiunile electrozilor depind direct de forma i dimensiunile suprafeei ce urmeaz s se prelucreze prin eroziune - precizia dimensiunilor electrozilor determin precizia de prelucrare a suprafeelor prin electroeroziune. EF DEF TEF DP TP + VPF P ESF urF DESF TESF D2 VPSF + P + ED urSF APSF DED TED D1 VPD P

-

-

urD

APF

FINISARE

SEMIFINISARE

DEGROSARE

PRELUCRARE PROIECTARE

Factori i parametri electro-erozivi

2

Toleranele dimensiunilor electrodului de finisare

TEF = (0,3 0,5) TP .Pentru electrozii de semifinisare i degroare, toleranele la dimensiuni vor fi mai mari fa de cele ale electrodului de finisare i se va ine cont i de tolerana poziionrii i centrrii electrodului n capul portelectrod al mainii, numit toleran suplimentar

TS = (0,1 0,5) TE .La prelucrarea prin eroziune electric ntre suprafaa activ i cea de prelurat se formeaz un interstiiu a crei valoare determin o diferen ntre dimensiunile celor dou suprafee conjugate.

Aceast diferen este numit reducere de dimensiune - SD, i se calculeaz n funcie de tipul dimensiunlor suprafeei de prelucrat pentru dimensiuni interioare ale suprafeei piesei (figura 4.1)

Si = (D 2P ) min (D 2E ) min ; D(D2E)max

0,5 TE

(D2E)min

SA SP

Electrod

LE LP

0,5 SiDSemifabricat

0,5 TP

(D2P)min (D2P)max

Figura 4.1. Prelucrarea suprafeelor interioare - dimensiuni de calcul

Factori i parametri electro-erozivi

3

pentru dimensiuni exterioare ale suprafeei piesei (figura 4.2)

S e = (D1E ) max (D1P ) max ; D(D1E)max

0,5 TE

(D1E)min

Electrod 0,5 SeD SP SA LE LP

Semifabricat

0,5 TP

(D1P)max

(D1P)min

Figura 4.2. Prelucrarea suprafeelor exterioare - dimensiuni de calcul Reducerea de dimensiune se calclaz diferit n funcie de tipul electrozilor, corespunztor fazelor de prelucrare

- Electrozi de degroare i semifinisare

S D = S m + A P + A I + A T + TEe- Electrozi de finisare

S D = 2h l + A P + A I .AI - adaos de instalare relativ electrod - semifabricat TEe - tolerana de execuie a electrodului

Factori i parametri electro-erozivi

4

Sm - mrimea minim a reducerii de dimensiune, specific unui anumit regim electric de prelucrare

S m = 2 (h l + R max ) + A shl - mrimea interstiiului lateral Rmax nlimea maxim a microsperitilor de pe suprafaa prelucrat AS - adaos de siguran AP - adaos pentru prelucrri ulterioare (prin electroeroziune sau alte procedee ulterioare de relucrare)

A P = 2 (R max + a SM ) ;aSM - grosimea stratului superficial modificat termic. AT - adaos pentru dilatarea termic a electrodului, depinde de categoria de regim de prelucrare, important n fazele de degroare i semifinisare

A T = T (T2 T1 ) (D E ) max ;T - coeficient de dilatare termic a materialului electrodului; T2 - temperatura n regim de prelucrare; T1 - temperatura la confecionarea electrodului; (DE)max - diametrul maxim al electrodului. Reducerea de dimensiune pentru electrodul de finisare se compar cu raza minim de racordare rmin a muchiilor (pereilor) cavitii prelucrate (impus prin proiectare)

S DF < rmin . 2Dac nu este ndeplinit aceast condiie, se renun la faza de finisare prin electroeroziune i se folosesc alte procedee de prelucrare. Folosind dimensiunile i toleranele suprafeei de prelucrat din desenul de execuie i innd cont de reducerile de dimensiune determinate, se calculeaz, dimensiunile suprafeei active a electrodului cu relaiile generale prezentate n tabelul 4.8.

Factori i parametri electro-erozivi

5

Tabelul 4.8. Calculul dimensiunilor suprafeei active a electrodului Tipul electrodului Tipul dimensiunii de prelucrat Finisare Degroare Semifinisare+ TEF

Interioar

D 2 E = [(D 2 P ) min Si ] 0 D

D2E = [(D2P )min Si ] 0 T D

ED

Exterioar

D1E = [(D1P )max + Se ] 0 T D

EF

+ D1E = [(D1P )max + Se ] 0 TED D

Lungimea zonei active LE a electrozilor Electrozi de degroare

L ED = L P + k r L PElectrozi de finisare

L EF = k r L PLP - nlimea cavitii suprafeei de prelucrat kr - coeficient de corecie (compensare) a lungimii, determinat n funcie categoria de regim electric utilizat.Coeficientul de corecie are valori cuprinse ntre 0,2 2 pentru electrozii din Cupru i 0,3 3 pentru electrozii din Grafit La rndul su acest coeficient este corijat n funcie de unghiurile pe care le prezint suprafaa activ a electrodului.

Factori i parametri electro-erozivi

6

4.3.2. Optimizarea tehnologiei de prelucrare Optimizarea operaiilor tehnologice constituie o problem de importan deosebit ncazul proceselor de prelucrare dimensional cu ndeprtare de material.

Pentru ntocmirea unui studiu corect, este necesar : - determinarea criteriilor de baz - determinarea restriciilor Pentru cazul prelucrrii prin eroziune electric, optimizarea trebuie dirijat n special asupra productivitii prelucrrii, unul dintre principalii factori limitativi ai operaiei. Pentru realizarea acestui deziderat s-au propus dou criterii : - timpul de prelucrare - preul de cost al operaiei electroerozive. 4.3.2.1. Optimizarea dup timpul de prelucrare Parametrul principal n calculul timpului total de prelucrare este timpul de baz

tb =

Vik k =1 i k =1 Q ik

NF

nk

[min],

tb - suma timpilor de baz pe operaie [min]; Vik - volumul total de material prelevat [mm3]; Qik - productivitatea prelucrrii [mm3 / min]; k - numrul curent de faz (sau schimbare de electrod); NF - numrul total de faze de prelucrare; ik - numrul curent de intervale de timp nk - numrul total de treceri n care a fost mprit faza k. Se observ c prin minimizarea acestei relaii rezult o maximizare a productivitii prelucrrii, n codiiile prelucrrii aceleiai suprafee, adic pentru Vik = const.

Factori i parametri electro-erozivi

7

Deoarece prelucrarea presupune pe lng calculul timpului de baz i o serie de timpi auxiliari, devine necesar considerarea timpului efectiv de prelucrare

te =

Vik q ik k =1 i k =1 Q ik

NF

nk

[min],

unde s-a notat coeficientul

q ik = 1 + t ak

(v cE )ikuk

,

tak - timpul auxiliar pentru o trecere, necesar pentru schimbarea electrodului, repoziionare, etc. [min] uk - diferena maxim a lungimilor critice de uzare, pentru faza k (vcE)ik - viteza critic de uzare a electrodului pe intervalul ik

Valoarea parametrului uK se consider constant, fiind dependent direct de condiiile tehnologice specifice operaiei de prelucrare.

( v cE ) ik =

(L uE )ikt ik

[mm/min],

tik - durata intarvalului de calcul [min];(LuE)ik - scurtarea linar a zonei active a electrodului

(L uE ) ik = (L uE ) max ik (L uE ) min ik

[mm],

(LuE)maxik - lungimea maxim critic de uzare liniar msurat pe direcia avansului [mm]; (LuE)minik lungimea minim critic de uzare [mm]; Din studiul relaiei te rezult c pentru minimizarea timpului efectiv de prelucrare (pentru ViK = cost.) trebuie acionat asupra : maximizrii productivitii de prelucrare reducerii timpilor auxiliari minimizrii vitezei de uzare a electrodului

Factori i parametri electro-erozivi

8

4.3.2.2. Optimizarea dup preul de costPreului de cost se poate determina innd cont de cheltuielile de prelucrare i tehnologice

C=

Vik k =1 i k =1 w ik

NF

nk

[lei],

unde parametrul wik are expresia

w ik =

Q ik P0 + (P0 t ak + P1 )

(v cE )ikuk

[lei].

P0 - cheltuielile de prelucrare pe unitatea de timp [lei]; P1 chetuieli tehnologice complete [lei]. Lund n considerare aciunea de minimizare a preului de cost al operaiei de prelucrare se impune : - minimizarea cheltuielilor specifice procedeului electroeroziv P0 - minimizarea cheltuielilor complete P1.Indiferent de criteriul admis (timp de baz, timp efectiv de prelucrare sau pre de cost), rezult c optimizarea prelucrrii prin eroziune electric se poate realiza, n principal, prin urmoarele msuri:

creterea productivitii de prelucrare reducerea uzurii electrodului reducerea costurilor de prelucrare reducerea costului electrodului Pentru a aciona n sensul celor enumerate mai sus intervin o serie de restricii, care pot fi grupate dup trei criterii: - restricii impuse de semifabricat - restricii impuse de electrod - restricii impuse de utilajul de prelucrare

Factori i parametri electro-erozivi

9

Restricii impuse de semifabricatCele mai importate sunt urmtoarele:

1. Materialul semifabricatului Prelucrarea prin eroziune electric se aplic n special materialelor la care restriciile procedeelor de prelucrare mecanic (achiere, deformare plastic la rece, etc.) sunt depite.Materialele reprezentative sunt constituite din oeluri aliate sau bogat aliate, tratate termic naintea prelucrrii (exemple: C 120, RP 3, VCW 85 clite pn la 60 65 HRC) i aliajele extradure de diferite mrci.

2. Rugozitatea final a suprafeelor prelucrate Rugozitatea suprafeelor prelucrate este constituit din mulimea craterelor formate prin eroziune.Din acest motiv este dificil a determina rugozitatea n mod similar cu cea obinut prin procedee mecanice clasice. Restricia poate fi formulat prin inegalitatea

(R z ) final (R z ) admis .n funcie de valoarea admis prin proiectare pentru rugozitate se va calcula i dimensiona numrul de faze de prelucrare i regimurile de lucru aferente.

3. Precizia de prelucrare Precizia este influenat n cea mai mare masur de uzura electrodului.Restricia se poate formula astfel

N u r C T (TP ) adm ,

urN - uzura electrodului utilizat la faza N (ultima faz di proces); CT - coeficient de transpunere a toleranelor; TP - tolerana impus suprafeei de prelucrat. 4. Adncimea i microstructura stratului influenat termic Prelucrarea prin eroziune electric, avnd la baz fenomenul de eroziune termic, va determina formarea pe suprafaa erodat a unei zone de material modificat termic. Se impune necesitatea diminurii grosimii acestei zone sub anumite valori admise sau eliminarea complet.Restricia poate fi exprimat prin inegalitatea

(a SM ) final (a SM ) admis ,

Factori i parametri electro-erozivi

10

Restricii impuse de electrod 1. Materialul electroduluiMaterialului din care se confecioneaz electrodul i se impun o serie de condiii:

condiii determinate de proprietile termofizice ale materialului Pentru a considera aceasta restricie, sunt propuse diferite relaii empirice, dintre care, cea care exprim mai bine realitatea din procesul de eroziune electric este criteriul lui Palatnik. Din acest punct de vedere, rezistena la eroziune este direct proporinal cu valoarea acestui criteriu (P), care este puternic influenat de temperatura de topire a meterialului.Analiznd acest criteriu pentru diferite materiale uzuale, se remarc , n ordine, rezistena foarte mare a Wolframului, Grafitului i a Cuprului, n timp ce rezistena la eroziune a Aluminiului, Alamei i Oelului este redus.

condiii determinate de prelucrabilitatea convenionale a materialului

prin

procedee

Acest condiie elimin, din punct de vedere termofizic, materialele a caror prelucrabilitate prin metode clasice este dificil (de exemplu Wolframul). condiii determinate de preul de cost al materialului Din acest punct de vedere s-au impus o gam restrns de materiale, ponderea cea mai mare avnd-o Cuprul electrolitic, fiind urmat apoi de Grafit i pseudoaliajele Cu-W, Cu-Ag. metoda de confecionare a electrodului S-a determinat c cca 40 % din costul unei operaii de prelucrare este determinat de costul electrodului (ponderea cea mai mare o are tehnologia de confecionare). Metoda cea mai uzual de confecionare const n realizarea suprafeelor active ale electrozilor prin procedee de achiere, ntregul profil activ fiind descompus n zone tehnologice de form simpl, uor prelucrabile, att pe utilaje clasice, ct i pe maini cu comand numeric de conturare.

Factori i parametri electro-erozivi

11

Restricii impuse de utilaj 1. Restricii dimensionale privind piesa de prelucrat Ponderea o constituie ns gama de dimensiuni mai mici dect 400200200 mm, ceea ce a determinat ca marea majoritate a mainilor de prelucrare prin eroziune electric s fie destinate prelucrrii acestor piese. 2. Restricii impuse de generatorul de impulsuri Generatorul de impulsuri, ca surs de energie cu care se realizeaz impulsurile electrice de prelevare a materialului, introduce cele mai importante restricii impuse de utilaj. Acestea se reflect prin tipul parametrilor posibil de reglat sau programat pentru procesul de prelucrare prin eroziune electric : - Tensiunile de mers n gol uzuale sunt mai mici de 100 V, ceea ce limiteaz utilizarea diferitelor materiale la confecionarea electrozilor - Intensitatea curentului de lucru acoper o plaj foarte larg de valori, oferind posibilitatea reglrii densitii de curent optime, adecvate fiecrui tip de prelucrare - Parametrii de timp ai impulsului electric sunt reglabili ntr-un domeniu foarte larg (2 2000 s), care este suficient oricrui tip de prelucrare.

Prelucrarea prin eroziune electric cu electrod filiform

1

5.1. Procese macroscopicede eroziunePrincipiul generrii suprafeelor prin W-EDM Metode de generare Caracteristici tehnologice

5.1.1. Principiul generrii suprafeelor La prelucrarea dimensional a suprafeelor prin eroziune electric cu electrod filiformW-EDM Wire-Electrical Discharge Machining descrcrile electrice n impuls se produc ntre un electrod sub form de fir i un semifabricat metalic, zona de eroziune fiind splat de un jet de lichid dielectric, coaxial cu firul. Descrcrile n impuls se amorseaz numai la anumite valori ale grosimii interstiiului, cuprinse ntre interstiiul maxim - hmax, pn la care se produce strpungerea lichidului dielectric, i interstiiul de scurtcircuit - hmin. Prelevarea de material pe un impuls - este dependent direct de mrimea interstiiului activ, avnd un caracter discontinu.

pentru h > hmax i h < hmin, rezult = 0, deci procesul de amorsare, i implicit cel de prelevare, nu are loc; pentru hmin < h < hmax, rezult > 0, deci procesul eroziv se desfoar cu prelevare de material.Principiul generrii dimensionale cu electrod filiform este prezentat n figura 5.1 i este explicat astfel:

- ptrunderea n profunzimea materialului la o dimensiune mai mare dect interstiiul maxim - hmax i continuarea generrii dimensiunii programate se realizeaz printr-o micare automat de avans; - pentru meninerea interstiiului real la nivelul unei valori optime, numit interstiiu de echilibru - he, viteza de avans a firului - Va trebuie meninut la nivelul vitezei medii de eroziune a materialului de pe suprafaa semifabricatului (Ve)med.

Prelucrarea prin eroziune electric cu electrod filiform

2

Avans (Va) Strat n Strat i de2 C2 C1 C3 Semifabricat Strat j

Electrod - fir

Ud Derular Id + hmin hi Generator de impulsuri

de1 de3

hn hmax( Vedere superioar )

hj

hl

Eroziune (Vt)

Avans (Va)

Fant de eroziune (b)

Figura 5.1. Generarea dimensional prin eroziune cu electrod filiform

Prelucrarea prin eroziune electric cu electrod filiform

3

5.1.2. Metode de generaregenerrii suprafeelor prin eroziune cu electrod filiform se realizeaz n prezent, folosind urmtoarele metode de generare:

Problema

Metode de generareW-EDM 1D Generare liniar Suprafaa se obine prin interpolare liniar dup axa X, Y W-EDM 2D Generare plan Suprafaa se obine prin interpolare plan dup axele X-Y W-EDM 3D Generare spaial Suprafaa se obine prin interpolare spaial dup axele XY i axa integrat de oscilaie B

Generarea liniar W-EDM-1DPrelucrarea are loc printr-o micare relativ a electrodului filiform dup o traiectorie liniar, realizat n lungul suprafeei de prelucrat printr-o micare de avans dup axa X sau Y (figura 5.2, a). Metoda este utilizat numai pentru operaii de tiere / debitare de precizie pentru materiale extradure.

Generarea plan W-EDM-2DPrelucrarea are loc printr-o micare relativ dintre electrodul-fir i semifabricat dup o traiectorie paralel cu suprafaa de prelucrat, realizndu-se decuparea unui contur deschis sau nchis cu suprafaa riglat (figura 5.2,b).

Generarea spaial W-EDM-3DPrelucrarea are loc printr-o micare compus din micarea relativ a semifabricatului dup o traiectorie plan i o micare de oscilaie, n plan vertical, a firului, relizndu-se o traiectorie complex n spaiu (figura 5.2,c). Metoda se utilizeaz pentru decuparea unor contururi complexe, la care nclinarea/conicitatea pereilor este variabil n lungul suprafeei prelucrate.

Prelucrarea prin eroziune electric cu electrod filiform

4

z

y

S

EF Avans Interpolare Xz y

EF S Avans Interpolare X-Y

x

x

a)

b)

EF Interpolare Bz y

S Avans Interpolare X-Yx

c) Figura 5.2. Generarea suprafeelor prin eroziune electric cu fir W-EDM Particularitile tehnologice specifice acestui procedeu sunt:

electrodul fir este confecionat din srm trefilat i calibrat, de seciune circular, din Cupru, Alam, Nichel, Molibden; firul are o micare continu de translaie vertical sau nclinat, realizat de un sistem de tensionare-derulare, cu scopul compensrii uzurii erozive; uzura firului se manifest prin reducerea ariei seciunii transversale, ceea ce exclude reutilizarea lui pentru alte operaii; eroarea total de prelucrare are obinuit valori cuprinse n domeniul (0,003 0,02) mm; viteza de avans variaz de la 0,1 mm/min, pentru grosimi ale semifabricatului de 100 150 mm, pn la 30 mm/min, pentru grosimi de 1 10 mm; productivitatea procedeului se situeaz, n cazul prelucrrii oelului, n intervalul 0,2 35 mm2/min

Prelucrarea prin eroziune electric cu electrod filiform

5

5.1.3. Caracteristici tehnologiceCaracteristici de prelevareLa prelucrarea cu electrod filiform principalele mrimi care exprim cantitativ eroziunea materialului de pe suprafaa semifabricatului sunt:

Voluml total prelevat - VP

VP = H P L C b

[mm3]

n care: HP este nlimea/grosimea semifabricatului; LC lungimea total a conturului erodat ntr-un interval de timp dat; b limea fantei de eroziune (figura 5.3).

Productivitatea prelucrrii - QP

QP =

H P LC Te

[mm2/min]

unde Te este timpul total de erodare a suprafeei de pe semifabricat.

Fi

Uzare

(dEF)fElectrod - fir

Seciunea instantanee A-A

SA A SP

Vd

Va VtA

HP

b

(dEF)iSemifabricat FiFigura 5.3. Elemente geometrice ale zonei tehnologice de eroziune

Fant de eroziune

Prelucrarea prin eroziune electric cu electrod filiform

6

Viteza de tiere vt

vt =

QP HP

[mm/min]

Caracteristici de uzarePrincipalele mrimi care exprim cantitativ eroziunea materialului de pe suprafaa electrodului filiform sunt:

Voluml uzrii totale - VEVE = 2 (d EF )i2 (d EF ) f v d Te 4

[

]

[mm3]

n care: (dEF)i , (dEF)f este diametrul firului iniial, respectiv final (uzat); vd viteza de derulare a firului prin fanta de eroziune;

Debitul de material uzat - QE

QE =

VE Te

[mm3/min]

Parametri care definesc procesul Materialul i diametrul firului dEF, se alege n funcie de : - razele de racordare admise ale muchiilor suprafeei de prelucrat, - nalimea semifaricatului, - rugozitatea impus suprafeei finale.Domeniul de diametre utilizate la acest procedeu este 0,05 0,35 mm, iar acest factor influeneaz:

- viteza de eroziune (tiere); - rugozitatea suprafeei erodate.

Prelucrarea prin eroziune electric cu electrod filiform

7

Fora de tensionare a firului Fi, este limitat de caracteristicilemecanice ale materialului electrodului i de diametrul acestuia. Creterea forei de tensionare determin:

- micorarea amplitudinii de vibraie a firului n fanta de eroziune; - creterea preciziei de prelucrare. Conductivitatea electric a dielectricului D, se adopt n funciede materialul semifabricatului n intervalul 1 30 S/cm. Valorile mici sunt recomandate pentru prelucrarea materialelor uor oxidabile, cum sunt: Aluminiul, Cuprul, Zincul i Carburile metalice, iar cele mari pentru Oeluri. Acest parametru influeneaz:

- viteza de eroziune (tiere); - limea fantei de eroziune. Tensiunea medie de lucru Um, este meninut constant, n modautomat, de ctre sistemul de comand adaptiv al instalaiei tehnologice, n domeniul 100 300 V.

Parametri reglabiliCei mai importani sunt:

Capacitatea de descrcare C, se regleaz n funcie de materialulsemifabricatului i diametrul firului Capacitatea influeneaza n mod direct calitatea suprafeei prelucrate prin valoarea rugozitii i grosimea stratului superficial modificat termic.

Intensitatea curentului I, determin frecvena descrcrilor Ceterea curentului de lucru determin o cretere important a vitezei de eroziune.tieturii (nlimea semifabricatului) Pentru obinerea unui process de prelucrare stabil i a unei precizii ridicate de prelucrare se impune ca uzura firului s nu depeasc valoarea maxim de 10%.

Viteza de derulare a firului vd, se regleaz n funcie de nlimea

Prelucrarea prin eroziune electric cu electrod filiform

8

Din analiza detaliat a principalilor parametri