wpływ wybranych parametrów obróbki

6-2011
TRIBOLOGIA
151
Magdalena NIEMCZEWSKA-WÓJCIK*
WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW OBRÓBKI
ELEKTROEROZYJNEJ NA CECHY POWIERZCHNI
OBROBIONEJ
THE INFLUENCE OF THE CHOSEN PARAMETERS
OF ELECTRIC DISCHARGE MACHINING
ON THE SURFACE FEATURES
Słowa kluczowe:
obróbka elektroerozyjna (EDM), techniki pomiaru, cechy powierzchni
Key words:
Electric Discharge Machining, measurement techniques, surface features
Streszczenie
Tematyka obejmuje zagadnienia z zakresu niekonwencjonalnych metod
kształtowania materiałów trudnoskrawalnych – obróbki elektroerozyjnej
EDM. W pracy przedstawiono wyniki badań, na podstawie których określono wpływ wybranych parametrów obróbki (energii pojedynczego impulsu Ei) na strukturę geometryczną powierzchni obrobionej, w tym na
kształt i rozmiary jej cech (kratery, wgłębienia, nadtopienia, wypływki,
pęknięcia, sferoidy).
*
Politechnika Krakowska, Katedra Inżynierii Procesów Produkcyjnych, al. Jana Pawła II 37,
31-864 Kraków, e-mail: [email protected].
152
TRIBOLOGIA
6-2011
WPROWADZENIE
Obróbka erozyjna należy do tzw. niekonwencjonalnych metod obróbki.
Stosowana jest zwykle tam, gdzie konwencjonalne metody obróbki są
niewystarczające (materiały trudnoskrawalne, elementy o skomplikowanych kształtach). W zależności od rodzaju wykorzystanej energii obróbkę
erozyjną dzieli się na [L. 2] obróbkę: elektroerozyjną, elektrochemiczną
oraz strumieniowo-erozyjną. Zakres zastosowania poszczególnych odmian obróbki erozyjnej oraz uzyskane wyniki (wydajność procesu, stan
ukonstytuowanej powierzchni) są zróżnicowane.
Najbardziej rozpowszechnioną odmianą jest obróbka elektroerozyjna
(Electrical Discharge Machining – EDM, Rys. 1a), w procesie której naddatek obróbkowy (warstwa zewnętrzna) usuwany jest w wyniku zjawisk
(parowanie, topnienie, rozrywanie materiału) towarzyszących wyładowaniom elektrycznym (Rys. 1b, 1 – warstwa materiału usunięta w wyniku
parowania, 2 – warstwa materiału usunięta w wyniku topnienia, 3 – warstwa materiału usunięta z elektrody) w przestrzeni pomiędzy narzędziem
(elektrodą roboczą) a przedmiotem obrabianym, oddzielonych warstwą
dielektryka.
(a)
(b)
Rys. 1. Obróbka elektroerozyjna [L. 2]: a) schemat, b) obszar jednego wyładowania
Fig. 1. EDM process [L. 2]: schematic diagram, b) single discharge area
Wynikiem procesu obróbki elektroerozyjnej jest ukształtowana struktura geometryczna powierzchni, definiowana jako zbiór wszystkich nierówności powierzchni rzeczywistej, tj. odchyłka kształtu i położenia,
falistość, chropowatość. Wśród wymienionych najistotniejszym wyróżnikiem stanu powierzchni obrobionej jest chropowatość [L. 4], która odgrywa znaczącą rolę w przebiegu podstawowych procesów tribologicznych współpracujących elementów.
6-2011
TRIBOLOGIA
153
Stan powierzchni ukonstytuowanej w procesie EDM stanowi zestaw
cech, tj. kratery, wgłębienia, nadtopienia, wypływki, pęknięcia czy sferoidy, których wielkość zależy od procesu erozji, a ten – od czynników
[L. 2]: (a) wejściowych (amplituda impulsów napięcia i natężenia prądu,
czas impulsu i czas przerwy, rodzaj i właściwości fizyczne dielektryka,
elektrody roboczej czy materiału obrabianego); (b) wyjściowych (zużycie
elektrody, grubość warstwy zmienionej, wydajność obróbki, chropowatość powierzchni); (c) ustalonych (skład chemiczny i struktura materiału
obrabianego, rodzaj i właściwości materiału elektrody roboczej, typ obrabiarki, kształt i wymiary półfabrykatu); (d) zakłócających.
W niniejszej publikacji, stanowiącej kontynuację pracy opublikowanej w Tribologia – teoria i praktyka nr 5/2010 przedstawiono uzupełniającą analizę struktury geometrycznej powierzchni obrobionej, ukonstytuowanej podczas procesu EDM. Z uwagi na wymagania stawiane częściom maszyn istotne jest prowadzenie badań w celu określenia wpływu
różnych czynników na stan powierzchni obrobionej, a tym samym na jej
właściwości użytkowe.
Do realizacji tematu wykorzystano wysokiej klasy sprzęt pomiarowy
przeznaczony do nieniszczących badań powierzchni oraz specjalistyczne
oprogramowanie.
METODYKA BADAŃ
Przedmiotem badań procesu obróbki elektroerozyjnej i jego wpływu na
stan powierzchni obrobionej była stal narzędziowa. Obróbkę elektroerozyjną przeprowadzono na powierzchni czołowej próbek w kształcie walca o średnicy 50 mm (Rys. 2).
nr 1
nr 4
Rys. 2. Badane powierzchnie
Fig. 2. Examined surfaces
nr 2
nr
5
nr 3
nr 6
154
TRIBOLOGIA
6-2011
Elektrodę roboczą (narzędzie) wykonano z miedzi; jako dielektryk
zastosowano naftę kosmetyczną. Źródłem impulsów elektrycznych był
generator tranzystorowy, umożliwiający kontrolę energii pojedynczych
impulsów elektrycznych. Energię pojedynczego impulsu elektrycznego
wyznaczono na podstawie parametrów obróbki, a wartości przedstawiono
w Tabeli 1.
Tabela 1. Energia pojedynczych impulsów Ei
Table 1. Energy of single discharge Ei
Oznaczenie
Ei
(nr 1)
Ei
(nr 2)
Ei
(nr 3)
Ei
(nr 4)
Ei
(nr 5)
Ei
(nr 6)
Wartość [J]
0,0016
0,0400
0,1096
0,2880
1,2000
3,0000
Właściwy dobór procesu oraz parametrów obróbki związany jest
z wymaganiami stawianymi powierzchniom, uzależniony od ich przeznaczenia, a więc właściwości użytkowych [L. 3].
W prezentowanej pracy analizowano wpływ parametrów obróbki
(energii pojedynczego impulsu Ei) na stan powierzchni obrobionej, w tym
kształt i rozmiary jej cech (kratery, wgłębienia, nadtopienia, wypływki,
pęknięcia, sferoidy). Badania zrealizowano na trzech stanowiskach pomiarowych (mikroskop optyczny, skaningowy mikroskop elektronowy
oraz interferometr optyczny), stanowiących wyposażenie Zakładu Tribologii Instytutu Technologii Eksploatacji – PIB w Radomiu. Zastosowanie
różnych stanowisk (technik pomiaru) pozwoliło na zebranie uzupełniających informacji na temat ukonstytuowanych w procesie EDM powierzchni oraz przeprowadzenie analizy i interpretację wyników. Do
oceny stanu powierzchni obrobionej wykorzystano specjalistyczne oprogramowanie metrologiczne.
WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA
Ilościowa analiza chropowatości powierzchni obrobionej badanych próbek przeprowadzona w ramach [L. 1] pozwoliła na wyznaczenie zależności między energią pojedynczego impulsu Ei a parametrami chropowatości powierzchni (układ 3D) po obróbce EDM – Rys. 3.
6-2011
TRIBOLOGIA
155
Rys. 3. Zależność chropowatości powierzchni od energii pojedynczego impulsu Ei
Fig. 3. The relationship between surface roughness and single discharge energy Ei
Stan powierzchni (Rys. 4) zmienia się wraz z energią pojedynczego
impulsu Ei – wartości parametrów chropowatości zwiększają się wraz ze
wzrostem Ei.
(nr 1)
(nr 2)
(nr 3)
(nr 4)
(nr 5)
(nr 6)
Rys. 4. Mapa warstwicowa powierzchni po obróbce EDM – Interferometr
Fig. 4. Contour diagram of the surface after EDM process – Interferometer
156
TRIBOLOGIA
6-2011
Zmianie ulegają również cechy powierzchni charakterystyczne dla
procesu obróbki elektroerozyjnej, tj.: kratery (miseczkowate wklęsłości),
wgłębienia (puste lub wypełnione jamy), nadtopienia, wypływki (elementy materiału w kształcie kropel), pęknięcia (nieciągłości powierzchni)
oraz sferoidy (kulki materiału).
Na obrazach uzyskanych z mikroskopu optycznego (Rys. 5) oraz
skaningowego mikroskopu elektronowego (Rys. 6) przedstawiono różnice w ukształtowaniu powierzchni. Podczas obróbki EDM występująca
w miejscach wyładowań wysoka temperatura powoduje nagrzanie materiału obrabianego, w wyniku czego ulega on lokalnemu topnieniu (tworząc nadtopienia) oraz częściowemu odparowaniu.
(nr 1)
(nr 4)
(nr 2)
(nr 5)
(nr 3)
(nr 6)
Rys. 5. Obrazy powierzchni po EDM (x100) – mikroskop optyczny
Fig. 5. Views of the surface after EDM process (x100) – optical microscope
Cząstki roztopionego materiału, które nie zostały odprowadzone
z przepływającym dielektrykiem, krzepną na powierzchni przedmiotu
obrabianego, przybierając kształt pojedynczych lub zgrupowanych kulek
(sferoid) – Rys. 5. Na powierzchni obrobionej pojawiają się kratery,
a wokół nich wypływki; rozmiary ich są skorelowane z parametrami obróbki. Nadtopienia materiału również zmieniają swoje rozmiary. Na
Rys. 6 (nr 3, nr 4 i nr 5) widać, jak nadtopienia wydłużają się, a ich za-
6-2011
TRIBOLOGIA
157
kończenie stanowi czasza kulista. Taka postać przyjmowana jest w fazie
poprzedzającej oddzielenie kulistych produktów erozji (sferoid) od materiału obrabianego. Sferoidy mogą przyjmować postać zamkniętą (największa ilość) oraz otwartą (z otworem na czaszy kulistej). Poza tym na
powierzchniach obrobionych – Rys. 6 (przy wyższych wartościach
Ei – nr 4 oraz nr 5) widoczne jest nawarstwianie się nadtopionego materiału.
(nr 1)
(nr 2)
(nr 4)
(nr 5)
(nr 3)
(nr 6)
Rys. 6. Obrazy powierzchni po EDM (x200) – skaningowy mikroskop elektronowy
Fig. 6. Views of the surface after EDM process (x200) – scanning electron microscope
Przy najmniejszej wartości Ei obszary nadtopionego materiału (liczne
i małego rozmiaru) są równomiernie rozłożone. Wraz ze wzrostem energii pojedynczego impulsu Ei zmienia się struktura powierzchni (jej topografia) – zarówno nadtopienia, jak też kratery, wgłębienia (Rys. 6 – nr 6)
oraz sferoidy zwiększają swoje rozmiary. Zależność rozmiaru cech
w funkcji energii pojedynczego impulsu przedstawia Rys. 7.
158
TRIBOLOGIA
6-2011
Rys. 7. Zależność wybranych cech powierzchni od energii pojedynczego impulsu
Ei
Fig. 7. The relationship between surface features and single discharge energy Ei
Ilość kraterów, wgłębień oraz steroidów przypadająca na pole obserwacji również się zmienia – wzrasta wraz ze wzrostem Ei. Ponadto
wraz ze wzrostem energii oraz czasu trwania wyładowań następował
wzrost naprężeń rozciągających, co wywołało powstanie pęknięć w materiale obrabianym – największe w przypadku próbek nr 6 i nr 7
(Rys. 5 i 6).
PODSUMOWANIE
Przeprowadzone badania wpływu wybranych parametrów obróbki EDM
(energii pojedynczego impulsu Ei) na stan powierzchni obrobionej wykazały, że wraz ze wzrostem Ei cechy powierzchni, jak kratery, wgłębienia,
nadtopienia, wypływki, pęknięcia czy sferoidy istotnie się zmieniają –
zwiększając swoje rozmiary, zwiększają chropowatość powierzchni obrobionej.
W zależności od wymagań stawianych powierzchniom obrabianym,
możliwy jest dobór parametrów obróbki elektroerozyjnej (od zgrubnej po
wykończeniową), a przez to sterowanie właściwościami użytkowymi
powierzchni.
LITERATURA
1. Niemczewska-Wójcik M.: Struktura geometryczna powierzchni ukonstytuowana w procesie obróbki elektroerozyjnej. Tribologia: teoria i praktyka
5/2010, s. 63–74.
6-2011
TRIBOLOGIA
159
2. Ruszaj A.: Niekonwencjonalne metody wytwarzania elementów maszyn
i narzędzi. Wydawnictwo Instytutu Obróbki Skrawaniem, Kraków 1999.
3. Szczerek M.: Metodologiczne problem systematyzacji eksperymentalnych
badań tribologicznych. Biblioteka Problemów Eksploatacji, Wydawnictwo
ITeE – PIB, Radom 1997.
4. Wieczorowski M.: Wykorzystanie analizy topograficznej w pomiarach nierówności powierzchni. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań
2009.
Recenzent:
Józef GAWLIK
Summary
The paper covers the issues concerning Electric Discharge
Machining (EDM), a non-conventional method employed to machine
hard materials. The research results are presented, on the basis of
which the influence of the chosen EDM parameters (single discharge
energy Ei) on the surface geometric structure, including the shape
and the size of its features (crater, cavity, remelted area, flash, crack,
spheroid), are then discussed.