Badania niekonwencjonalnych metod wytwarzania mikronarzędzi

436
MECHANIK NR 5-6/2011
Badania niekonwencjonalnych metod
wytwarzania mikronarzędzi walcowych
SEBASTIAN SKOCZYPIEC
ADAM RUSZAJ
MARCIN GRABOWSKI *
Scharakteryzowano wybrane sposoby niekonwencjonalnego kształtowania mikronarzędzi walcowych. Podstawowym kryterium wyboru metody wykonania elektrody była
możliwość jej zastosowania na obrabiarce, na której
będzie realizowane frezowanie elektrochemiczne lub elektroerozyjne. Przedstawiono również wyniki badań własnych elektrochemicznego i elektroerozyjnego mikrokształtowania narzędzi walcowych.
Mikrotechnologie zajmują obecnie jedno z najważniejszych miejsc w działalności produkcyjnej i innowacyjnej
czołowych firm światowych, stanowiąc równocześnie jeden z głównych kierunków prowadzonych tam prac badawczo-rozwojowych. Wytwarzanie elementów mikromechanizmów, prototypowych elementów dla Mikro-Elektro-Mechanicznych Systemów (MEMS), oprzyrządowania
i narzędzi do mikroskrawania, mikroodlewania, mikroobróbki plastycznej to bardzo dynamicznie rozwijający się
obszar w ubytkowych i przyrostowych metodach wytwarzania [7, 8].
Szczególne miejsce w mikrotechnologii zajmują metody niekonwencjonalne tj. mikroobróbka elektrochemiczna (ElectroChemical Micro Machining – ECMM) oraz
mikroobróbka elektroerozyjna (Electro Discharge Mikro
Machining – EDMM) [5, 8]. Kształtowane powierzchnie
mikronarzędzi są najczęściej krzywoliniowe: wewnętrzne lub zewnętrzne, co warunkuje wybór rozwiązań technologicznych, których podstawowym celem jest zapewnienie jak największej dokładności wykonania, przy akceptowalnej wydajności obróbki. W aspekcie elektrochemicznego i elektroerozyjnego wytwarzania mikronarzędzi, elementów oprzyrządowania i prototypów największe możliwości aplikacyjne daje zastosowanie elektrody cylindrycznej o średnicy < 0,5 mm oraz sterowanie
ruchami względnymi elektrody i przedmiotu obrabianego
w trzech osiach (3D-ECMM – frezowanie elektrochemiczne, 3D-EDMM – frezowanie elektroerozyjne) [1, 2, 9].
Możliwości zmniejszenia wymiarów mikronarzędzi frezowanych elektrochemicznie i elektroerozyjnie zależą zarówno od prawidłowego doboru parametrów procesu, jak i od wymiaa)
rów narzędzia. Im mniejsza średnica elektrody, tym większa rozdzielczość oraz dokładność kształtowania przedmiotu. W przypadku mikrofrezowania elektrochemicznego
i elektroerozyjnego narzędziem jest
pręt o prostym walcowym kształcie
[1, 2]. Poza prawidłowym doborem
* Dr inż. Sebastian Skoczypiec, prof. dr
hab. inż. Adam Ruszaj, mgr inż. Marcin
Grabowski – Instytut Technologii Maszyn
i Automatyzacji Produkcji Politechniki Krakowskiej
parametrów obróbki jednym z podstawowych zagadnień
technicznych jest zapewnienie odpowiedniego mocowania i sztywności części roboczej narzędzia (elektrody
roboczej, ER).
W przypadku procesu mikrowiercenia elektroerozyjnego te wymagania spełnia się poprzez zastosowanie
skalibrowanej, współosiowej z wrzecionem obrabiarki
i nieprzewodzącej prądu elektrycznego tulejki prowadzącej część roboczą elektrody. Umożliwia to zastosowanie
na elektrody dostępnych na rynku drutów o średnicy
nawet poniżej 0,02 mm. Ze względu jednak na kinematykę obróbki nie można zastosować opisanego rozwiązania w procesie 3D-ECMM i 3D-EDMM. Najczęściej
wykonuje się stopniowaną ER o prostym walcowym
kształcie na tym samym stanowisku, na którym prowadzona jest dalsza obróbka (bez zmiany zamocowania narzędzia). Pozwala to na prowadzenie procesu
elektrodami o średnicy < 0,1 mm. Dlatego też integralną
częścią opracowania technologii elektrochemicznego
i elektroerozyjnego kształtowania mikronarzędzi powinno być określenie możliwości kształtowania ER, przy
założeniu, że proces ten odbywa się w tym samym
zamocowaniu i na tej samej obrabiarce co dalsze frezowanie.
W artykule przedstawiony zostanie krótki przegląd spotykanych w literaturze rozwiązań spełniających te kryteria
oraz omówione wyniki badań własnych elektrochemicznego i elektroerozyjnego kształtowania mikronarzędzi walcowych.
Elektrochemiczne kształtowanie
mikronarzędzi walcowych
Najpopularniejszym sposobem elektrochemicznego
kształtowania elektrod walcowych jest trawienie elektrochemiczne (rys. 1), które polega na powolnym wyciąganiu końcówki elektrody – podłączonej do dodatniego
źródła prądu – z roztworu elektrolitu, w którym zanurzona jest platynowa katoda. Prawidłowy dobór parametrów
procesu, tj. napięcia międzyelektrodowego, rodzaju eleb)
Rys. 1. Schemat przedstawiający wykonywanie elektrod trawieniem elektrochemicznym (a)
oraz przykład elektrody wolframowej o średnicy 30 μm wykonanej tą metodą (b) [6]
438
a)
MECHANIK NR 5-6/2011
b)
Rys. 2. Schemat (a) oraz fotografia (b) stanowiska do elektrochemicznego kształtowania
narzędzi walcowych w zanurzeniu
ktrolitu oraz odpowiednie sterowanie ruchem ER pozwalają uzyskać
stożkowy kształt części roboczej
o średnicy nawet < 5 μm [6].
W ramach prac prowadzonych
w Laboratorium Mikro- i Nanotechnologii Instytutu Technologii Maszyn
i Automatyzacji Produkcji Politechniki Krakowskiej przeprowadzono
badania wstępne pewnej modyfikacji tego sposobu. Wykonano je
na zbudowanym stanowisku badawczym [9]. Kształtowanie odbywało
się w wanience wypełnionej elektrolitem (rys. 2). Obracające się z prędkością 100 obr/min narzędzie (anoda) zanurzone było w elektrolicie
w odległości S0 od metalowego
bloku (katoda). Celem badań było
wyznaczenie zależności D(t), gdzie
D – średnica elektrody, t – czas
obróbki.
Badania przeprowadzono dla następujących parametrów:
stałe napięcie międzyelektrodowe: U = 15 V,
elektrolit: wodny roztwór NaNO3, przewodność
15 mS/cm,
średnica początkowa ER: D0 = 0,4 mm,
początkowa odległość od płytki:
S0 = 0,5 mm,
materiał płytki: stal 0H18N9.
Proces kształtowania elektrody
walcowej w kinematyce przedstawionej na rys. 2 może być zamodelowany przy zastosowaniu równania opisującego zmianę szczeliny
międzyelektrodowej S w czasie
t przy obróbce elektrodą nieruchomą:
S(t) = 2 · η kv · κ (U − E) · t + S02
(1)
√
Rys. 4. Zmiany kształtu i skrócenie elektrody
w trakcie obróbki dla U = 15 V
Przyjmując założenie, że odległość osi obrotu elektrody
od powierzchni bocznej płytki jest stała:
S(t) + D0 / 2 = S(t) + D(t) / 2
(2)
otrzymujemy:
D(t) = 2 · (S0 + D0 / 2) − 2 ·
√ 2 · η k · κ (U − E) · t + S
v
2
0
(3)
gdzie: U – napięcie międzyelektrodowe, E – spadek
potencjału w warstwach przyelektrodowych, κ – przewodność elektrolitu, η kv – obrabialność elektrochemiczna;
pozostałe oznaczenia jak na rys. 2. Wykorzystanie powyższych zależności pozwala na określenie orientacyjnego czasu kształtowania elektrody. Uzyskane wyniki badań doświadczalnych przedstawione zostały na
rys. 3 i 4.
Elektroerozyjne kształtowanie mikronarzędzi
walcowych
Rys. 3. Porównanie zmian średnicy elektrody walcowej dla U = 15 V
z wynikami obliczeń otrzymanych na podstawie zależności (3)
dla η kv = 0,01 mm3/As, przewodność elektrolitu κ = 0,007 A/Vmm,
D0 = 0,4 mm, S0 = 0,5 mm, spadek potencjału w warstwach przyelektrodowych E = 1 V
Istnieje wiele metod obróbki elektroerozyjnej, pozwalających na wykonywanie roboczych narzędzi z półfabrykatu w postaci pręta. W aspekcie tematyki analizowanej w artykule, na uwagę zasługują następujące metody
[5, 6]:
✓ kształtowanie ruchem mimośrodowym elektrody,
która jednocześnie wykonuje ruch obrotowy oraz mimośrodowy (rys. 5a);
440
a)
MECHANIK NR 5-6/2011
b)
Rys. 5. Schemat elektroerozyjnego kształtowania części roboczej elektrody z wykorzystaniem ruchu mimośrodowego (a) oraz
kształtowania narzędzi z wykorzystaniem
szczeliny w metalowym bloku (b)
Rys. 6. Schemat elektroerozyjnego kształtowania elektrod [1]
✓ kształtowanie za pomocą drążenia wzdłużnego
(rys. 5b); kształtowana, obracająca się elektroda, wykonuje ruch posuwowy wzdłuż szczeliny o znanej szerokości wykonanej w metalowym bloku. Średnica uzyskanej
w ten sposób elektrody zależy od szerokości szczeliny
oraz parametrów obróbki;
✓ drutowe szlifowanie elektroerozyjne (rys. 6): wirująca elektroda robocza kształtowana jest za pomocą cienkiego drutu (0,05 ÷ 0,1 mm), który jest przewijany po specjalnym prowadniku oraz polewany dielektrykiem. Powolny dosuw elektrody do drutu oraz ruch w osi wzdłużnej
elektrody powodują systematyczne usuwanie cienkich
warstw materiału. W wyniku odpowiedniego sterowania
ruchami elektrody możemy uzyskać dowolny, osiowo-symetryczny kształt części roboczej narzędzia (np.
o przekroju wielokąta).
W ramach prowadzonych na Politechnice Krakowskiej
badań własnych opracowano podstawy technologii elektroerozyjnego kształtowania narzędzi walcowych z wykorzystaniem drążenia wzdłużnego. Elektroda walcowa była
dosuwana do szczeliny w metalowym bloku. Wraz z zagłębianiem się elektrody następowało zmniejszenie średnicy elektrody obrabianej. Celem tych badań było określenie zależności D(L) (oznaczenia jak na rys. 7).
Badano węglik wolframu (WC) z zastosowaniem dwóch
zasilaczy elektroerozyjnych. Na podstawie przeprowadzonych badań rozpoznawczych i prób wstępnych dobrane zostały następujące parametry badań:
Generator elektroerozyjny tranzystorowy BP-95:
amplituda natężenia prądu I = 1 A,
czas impulsu ti = 25 μs,
czas przerwy: tp = 100 μs.
Zasilacz RC (opis konstrukcji w [7]):
napięcie zapłonu U = 150 V,
C1: We = 55,1 nJ, ft = 8,33 MHz, ti ∼ 120 ns,
C5: We = 55,1 nJ, ft = 0,83 MHz, ti ∼ 1,2 μs,
C10: We = 18,2 μJ, ft = 25,2 kHz, ti ∼ 40 μs.
gdzie: We – teoretyczna energia wyładowania, ft – teoretyczna częstotliwość wyładowań, ti – teoretyczny czas
trwania wyładowania.
Pozostałe warunki badań:
średnica początkowa ER: D0 = 0,4 mm,
dielektryk: Exxsol D80,
materiał płytki: stal 0H18N9.
Zastosowanie zasilacza tranzystorowego BP-95 pozwoliło na zmniejszenie średnicy do ok. 0,2 mm. Dalsza
obróbka powodowała ucięcie elektrody roboczej. Jak widać na rys. 8, zależność D(L) dla zasilacza tranzystorowego ma charakter liniowy, co może być wykorzystane
do predykcji średnicy narzędzia. Dalsze zmniejszenie
Rys. 7. Schemat sposobu elektroerozyjnego kształtowania elektrody
walcowej zastosowanego w trakcie badań; 2 – stalowy blok,
3 – kształtowana elektroda
Rys. 8. Zmiany średnicy narzędzia D w zależności od głębokości
dosuwu elektrody L; kolor granatowy – zależność D(L) dla generatora
tranzystorowego (tp = 100 μs, ti = 25 μs, I = 1 A), kolor czerwony – zależność D(L) dlla generatora RC, w tabeli podano teoretyczną energię wyładowań dla kolejnych etapów obróbki zasilaczem RC)
Rys. 9. Porównanie zużycia liniowego dla zasilacza tranzystorowego
BP-95 i zasilacza RC (C10, C5, C1 – oznaczenia ustawień zasilacza)
442
MECHANIK NR 5-6/2011
średnicy narzędzia możliwe jest z zastosowaniem generatora RC. Podstawową zaletą jest niska energia wyładowania, co pozwala na uzyskanie wysokiej rozdzielczości
kształtowania (rozumianej jako najmniejsza możliwa do
usunięcia objętość materiału) i znaczne zmniejszenie
średnicy obrabianego narzędzia (rys. 8 i 10).
Na podstawie danych przedstawionych na rys. 8 można obliczyć wskaźnik zużycia liniowego elektrody dD/dL
(rys. 9), który jest niezbędny przy projektowaniu procesu
elektroerozyjnego kształtowania narzędzi walcowych
(rys. 9).
Przykładowa, wykonana w trakcie badań, elektroda
robocza została przedstawiona na rys. 10, na którym
można również zaobserwować różnicę mikrogeometrii
a)
b)
towanie narzędzia w tym samym uchwycie pozwala na
minimalizację wpływu ewentualnych błędów zamocowania elektrody roboczej.
Technolog projektujący proces mikroobróbki elektrochemicznej i elektroerozyjnej ma do wyboru wiele metod kształtowania części roboczej elektrody. Jeżeli chodzi
o możliwości technologiczne, to kształtowanie elektrochemiczne pozwala jedynie na wykonanie prostych walcowych kształtów, natomiast kształtowanie elektroerozyjne umożliwia elastyczne modyfikowanie części roboczej
elektrody. W zależności od zastosowanej technologii możliwe jest wykonanie prostych elektrod walcowych (nawet
o średnicy < 50 μm), elektrod o przekroju wielokąta (trójkąt, kwadrat itp.) czy elektrod wielosekcyjnych. Przedstawione metody znajdują przede wszystkim zastosowanie do kształtowania narzędzi o prostych kształtach.
LITERATURA
Rys. 10. Fotografie pokazujące zmianę średnicy i kształtu narzędzia
walcowego wraz z odległością L
powierzchni obrabianych zasilaczem tranzystorowym
BP-95 (górny stopień elektrody na rys. 10a) i zasilaczem
RC (dolny stopień elektrody na rys 10a oraz elektroda na
rys. 10b).
Zaletą badanych metod jest możliwość kształtowania
elektrody na tym samym stanowisku (w tym samym
mocowaniu), na którym prowadzona jest obróbka. Wymaga to jedynie wykonania odpowiedniego oprzyrządowania technologicznego i integracji odpowiednich procedur
w ramach programu sterującego obrabiarką. Uzyskane
w trakcie badań zależności D(t) (rys. 3) i D(L) (rys. 8) oraz
informacje o zużyciu linowym (rys. 10) tworzą bazę danych technologicznych do projektowania procesu. Kształ-
1. N.M. ABBAS, D.S. SOLOMON, M.F. BAHRI: A review on current
research trends in electrical discharge machining (EDM). Int. J. of
Mach. Tools and Manuf. 2007, Vol. 47, 1214 ÷ 1228.
2. K. BO HYUN, R. SHI HYOUNG, CH. DEOK KI, CH. CHONG
NAM: Micro electrochemical milling. J. Micromech. Microeng. 15
(2005) 124 ÷ 129.
3. N. MOHRI, T. TANI: Micro-pin electrodes formation by microscanning EDM process. CIRP Annals – Manufacturing Technology 2006, Vol. 55, 175 ÷ 178.
4. R. MOJZYCH: Opracowanie projektu i wykonanie prototypu generatora RC do mikroobrabiarki elektroerozyjnej. Praca magisterska.
Politechnika Warszawska 2008.
5. K.P. RAJURKAR, G. LEVY, A. MALSHE, M.M. SUNDRAM,
J. MCGEOUGH, X. HUA, R.RESNICK, A. DESILVA: Micro and
Nano Machining by Electro-Physical and Chemical Processes.
CIRP Annals – Manufacturing Technology, Vol. 55, Issue 2, 2006,
643 ÷ 666.
6. A.SE HYUN, R. SHI HYOUNG, CH. DEOK KI, CH. CHONG NAM:
Electro-chemical micro drilling using ultra short pulses. Precision
Engineering 28 (2004), s. 129 ÷ 134.
7. S. SKOCZYPIEC, J. KOZAK, A. RUSZAJ: Wybrane problemy
technologii elektrochemicznej i elektroerozyjnej mikronarzędzi. Inżynieria Maszyn 2009, 14, 20 ÷ 30.
8. S. SKOCZYPIEC, A. RUSZAJ: Tendencje rozwojowe mikrotechnologii wytwarzania. Niekonwencjonalne metody mikroobróbki.
Mechanik 12/2009, s. 1024 ÷ 1027.
9. S. SKOCZYPIEC, A. RUSZAJ, J. KOZAK: The conception of
EC/EDMM sequential process for micro-tools manufacturing. Proceedings of 5th International Conference on Advances in Production Engineering APE’ 2010. Warsaw University of Technology,
2010.