vecco wysokiej wydajności

Transkrypt

Techniki kształtowania mikroelementów (TKME)
- laboratorium
Ćwiczenie 5
„Mikrodrążenie elektroerozyjne elektrodami z włókien
węglowych”
Instrukcja laboratoryjna
„Człowiek - najlepsza inwestycja”
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Warszawa 2011
2
Ćwiczenie 5
„Mikrodrążenie elektroerozyjne elektrodami z włókien węglowych”
1.
WSTĘP
1.1.
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie praktycznych warunków realizacji mikroobróbki
elektroerozyjnej oraz jej rezultatów z wykorzystaniem włókien węglowych jako elektrod
roboczych.
1.2.
Zakres wymaganych wiadomości
Poprawne przygotowanie do ćwiczenia wymaga zapoznania się z niniejszą instrukcją,
przypomnienia odpowiednich treści wykładów z Podstaw Technik Wytwarzania oraz Technologii Urządzeń Mechatroniki oraz Technik Kształtowania Mikroelementów, a także przestudiowania informacji podanych w literaturze uzupełniającej.
Zakres wymaganych wiadomości jest następujący:
– technologia obróbki elektroerozyjnej,
– technologia mikroobróbki elektroerozyjnej,
– podstawowe wiadomości na temat włókien węglowych.
2.
PODSTAWY OBRÓBKI ELEKTROEROZYJNEJ
2.1.
Informacje ogólne
Rozwój mikro- i nano- technologii spowodował konieczność opracowania
efektywnych metod pozwalających na kształtowanie mikro- i nano- elementów, części maszyn
i narzędzi. Działając w obszarze tak małych wymiarów okazuje się, że obróbka
elektroerozyjna w standardowym zakresie wymiarów, nie nadaje się do kształtowania tak
precyzyjnych elementów. Wiąże się to głównie z uzyskiwanymi w tym procesie
dokładnościami. Z kolei mikroobróbka elektroerozyjna stanowi analogię do procesu EDM
i z powodzeniem może być stosowana do wytwarzania precyzyjnych elementów. Od strony
fizycznej µEDM różni się zastosowaniem dużo mniejszych energii podczas procesu (1 nJ ÷
10 µJ), gdy w tradycyjnej EDM może to być nawet kilka J. Dzięki temu uzyskuje się
Techniki kształtowania mikroelementów
TKME
Ćwiczenie 5
3
zmniejszoną chropowatość powierzchni kosztem objętościowej wydajności obróbki.
W obróbce elektroerozyjnej, w odróżnieniu od tradycyjnych obróbek mechanicznych (np.
obróbki skrawaniem), w których do nadania częściom maszyn określonych kształtów,
wymiarów i właściwości wykorzystuje się energię mechaniczną (oddziaływanie mechaniczne
między przedmiotem obrabianym i narzędziem), wykorzystuje się energię wyładowań
elektrycznych. Usunięcie naddatku obróbkowego odbywa się dzięki zjawisku erozji
elektrycznej. Jest ona zjawiskiem kierunkowym, dzięki czemu usunięcie materiału jest
większe na anodzie (zwykle przedmiot obrabiany – PO) niż na katodzie (zwykle elektroda
robocza – ER) – Rys. 1. Obróbce tej mogą podlegać materiały niezależnie od ich właściwości
fizykochemicznych i mechanicznych, postaci oraz stanu wyjściowego. Jedynym warunkiem
jest to, aby przewodziły prąd elektryczny. Należy jednak dodać, że są prowadzone również
prace nad zastosowaniem EDM do kształtowania materiałów nieprzewodzących, takich jak
ceramika izolacyjna. Obróbkę taką przeprowadza z wykorzystaniem niewielkiej warstwy
metalu nałożonej na PO. Przy czym grubość warstwy metalu jest mała w stosunku do
osiągniętej głębokości drążenia.
.
Rys. 1. Schemat obróbki µEDM
Mikroobróbka EDM stwarza możliwość kształtowania elementów bardzo małych
i precyzyjnych, często o małej wytrzymałości mechanicznej, dla których zastosowanie obróbki
skrawaniem jest niekiedy niemożliwe. W tym przypadku jest wykluczony niekorzystny
kontakt mechaniczny między narzędziem i przedmiotem obrabianym. Dodatkowo zaletą
elektroerozji jest też łatwe kształtowanie elementów z materiałów trudnoskrawalnych, takich
jak węgliki spiekane, stopy żaroodporne i żarowytrzymałe, stale hartowane itp.
TKME
4
2.2.
Ćwiczenie 5
Zasada elektroerozji
Obróbka elektroerozyjna zachodzi między elektrodami, elektrodą roboczą ER
i przedmiotem obrabianym PO, w otoczeniu dielektryka (najczęściej nafta, oleje na bazie
węglowodorów lub woda dejonizowana) – Rys. 2. Elektrody te są odsunięte od siebie na
pewną odległość tzw. szczelina robocza. Zapoczątkowanie obróbki jest powodowane
dostarczeniem napięcia, które doprowadza do przebicia elektrycznego w miejscu szczeliny.
W tym miejscu formuje się kanał plazmy, czyli zjonizowanego i przewodzącego prąd gazu
o wysokiej temperaturze. Rozwija się on dalej z biegiem wyładowania. Wyładowania
powinny zachodzić z dość dużymi częstotliwościami, z uwagi na mała objętość usuwanego
materiału przy pojedynczym wyładowaniu. Przy każdym wyładowaniu ma miejsce
odparowanie, topienie i wyrzucanie cząstek materiału z powierzchni obrabianej elementu.
Rys. 2. Schemat obróbki elektroerozyjnej
W procesie tym kształt elektrody roboczej jest odwzorowany w przedmiocie
obrabianym. W rezultacie obróbki, zarówno z przedmiotu obrabianego jak i z elektrody,
usuwany jest materiał (zwykle z elektrody roboczej mniejszy – kierunkowość zjawiska
elektroerozji). Materiał wyerodowany w procesie w postaci drobnych kulistych cząstek jest
wypłukiwany przez dielektryk. Po zakończeniu wyładowania temperatura spada i kanał
plazmowy zanika – następuje dejonizacja. Czas między wyładowaniami (jonizacja
i dejonizacja ośrodka) musi być odpowiednio długi, aby kolejne wyładowanie mogło nastąpić
TKME
Ćwiczenie 5
5
po całkowitej dejonizacji ośrodka. W przeciwnym wypadku wyładowania będą pojawiały się
w tym samym miejscu, co doprowadzi do przegrzania i nierównomiernego erodowania
materiału.
2.3.
Zjawiska zachodzące w szczelinie roboczej
Zjawiska zachodzące w szczelinie roboczej podczas wyładowań towarzyszących
obróbce elektroerozyjnej są bardzo złożone. Niektóre z nich nie zostały do końca wyjaśnione
np. powiększająca się średnica pęcherza gazowego tworzącego się wokół kanału plazmowego
czy dokładna wartość temperatury i możliwości jej pomiaru. W uproszczeniu przebieg
zjawisk wewnątrz szczeliny w EDM można przedstawić następująco: po przyłożeniu napięcia
do elektrod zanurzonych w dielektryku w szczelinie roboczej powstaje zmienne i niejednorodne pole elektryczne o natężeniu 105÷ 106 V/cm. Niejednorodność pola jest
powodowana różnymi warunkami na powierzchni elektrod oraz niejednorodnością
właściwości elektrycznych dielektryka, w którym znajdują się produkty obróbki z kolejnych
wyładowań. W skali mikro ma to duże znaczenie z uwagi na porównywalne rzędy wielkości
chropowatości powierzchni oraz wyerodowanych cząstek z elektrodami roboczymi. W miejscu o największym natężeniu pola elektrycznego koncentrują się cząstki zanieczyszczeń
(produkty obróbki z poprzednich wyładowań) powodując obniżenie wytrzymałości
elektrycznej dielektryka. Przy dostatecznie wysokim napięciu Ug (napięcie graniczne)
natężenie pola elektrycznego ośrodka jest tak duże, że powoduje przebicie elektryczne
ośrodka.
Rys. 3. Uwolnione jony oraz elektrony ulegają przyspieszeniu tworząc przewodzący kanał
wyładowania elektrycznego
TKME
6
Ćwiczenie 5
Zachodzi wtedy zimna emisja elektronów z katody (z reguły elektroda robocza). Elektrony te
są przyspieszane w polu elektrycznym i na skutek zderzeń z atomami ośrodka powodują ich
jonizację. Tworzy się tzw. fala jonizacyjna, która w czołowej swojej części zawiera elektrony,
a w ogonie jony. Gdy fala ta dotrze do powierzchni przedmiotu obrabianego (zwykle anoda)
zostaje zakończone utworzenie kanału plazmowego. Zwykle czas jego utworzenia to około
10-8 s. Plazma w tak przygotowanym kanale ma dobrą przewodność elektryczną, dzięki temu
możliwy jest krótkotrwały przepływ prądu przez niego, czyli właściwe wyładowanie.
W czasie wyładowania wydziela się znaczna ilość ciepła, a temperatura w samym kanale
może osiągać 6000÷12000 K i następuje odparowywanie ośrodka. Wokół samego kanału
tworzy się powiększający się w czasie pęcherz gazowy. Elektrony przyspieszone w polu
elektrycznym uderzają w przedmiot obrabiany (anodę), a jony w elektrodę roboczą (katodę).
Energia uderzających cząstek zamieniana jest w ciepło. Następuje lokalny wzrost temperatury
materiału elektrod. Pewna objętość materiału zostaje odparowana lub stopiona z uwagi na to,
że temperatura przekracza temperaturę topliwości materiału, a niekiedy i temperaturę jego
wrzenia.
Rys. 4. Kolizje jonów z elektronami pozwalają uformować kanał plazmowy
Oprócz tego w pewnych warunkach część objętości materiału może być wyrywana w stanie
stałym, na skutek naprężeń cieplnych wywołanych dużym gradientem temperatury. Proces
przemian fazowych materiału ma charakter gwałtowny – wybuchowy. Sprzyja to zmianom
ciśnienia wewnątrz pęcherza gazowego. W początkowej fazie procesu ciśnienie gwałtownie
rośnie, a po wyładowaniu spada intensyfikując odparowywanie roztopionego materiału.
W wyniku tego procesu na powierzchni przedmiotu obrabianego tworzy się krater, z którego
wyrzucane są strugi pary oraz ciekłego materiału. Po zakończeniu wyładowania materiał
wnętrza krateru krzepnie tworząc cienką warstwę o zmienionych właściwościach i strukturze
TKME
Ćwiczenie 5
7
w stosunku do materiału przedmiotu obrabianego. Materiał usunięty w wyniku obróbki
tworzy kuliste cząstki zawieszone w ośrodku dielektrycznym.
Rys. 5. Usuwanie materiału, a po odcięciu dopływu prądu zanik kanału plazmowego
Z kolei pęcherz gazowy kurczy się. Gazy wytworzone w czasie rozkładu dielektryka (np.
wodór czy metan w przypadku dielektryków na bazie węglowodorów) tworzą pęcherze.
Z uwagi na wyładowania, które następują tysiące razy w ciągu sekundy po procesie szczelina
w typowym procesie EDM jest wypełniona gazami. Po zakończeniu wyładowania następuje
dejonizacja ośrodka i cykl może się ponownie rozpocząć w miejscu istnienia najlepszych ku
temu warunków.
2.4.
Zasada działania generatora RC
Generator RC składa się z dwóch obwodów (I i II): ładowania (I), w którego skład
wchodzi źródło prądu stałego U, opór R oraz pojemność C oraz wyładowania, do którego
należą pojemność C, elektroda robocza ER, przedmiot obrabiany PO oraz dielektryk – Rys. 6.
Rys. 6. Schemat generatora RC
Powstanie impulsu roboczego następuje w momencie, gdy układ ładowania osiągnie
pewne graniczne napięcie Ug. Wtedy w układzie wyładowania dochodzi do rozładowania.
Ze względu na ten cykliczny sposób pracy (ładowanie i rozładowywanie) generator ten często
nazywany jest relaksacyjnym (ewentualnie zasobnikowym). Pracę generatora RC opisać
TKME
8
Ćwiczenie 5
można następującymi zależnościami: Podłączenie generatora do sieci prądu stałego o napięciu
U (Rys. 6) spowoduje płynięcie prądu o wartości:
{1}
dzięki temu kondensator C uzyskuje ładunek q (następuje ładowanie kondensatora). W trakcie
tego procesu napięcie uc wzrasta, więc zgodnie ze wzorem {1} prąd ładowania maleje. Gdy uc
osiągnie wartość równą U prąd przestaje płynąc. Korzystając z zależności na prąd płynący
przez obwód ładowania wyrażony w postaci:
{2}
oraz z zależności:
{3}
Otrzymujemy następujące wyrażenie:
{4}
Z wyrażenia {4} wynika, że prąd ładowania jest proporcjonalny do zmiany prędkości napięcia
na kondensatorze. Korzystając z zależności {4} i {1} otrzymujemy:
{5}
Rozwiązaniem równania różniczkowego {5} przy założeniu, że w chwili t=0, uc=0 jest:
{6}
Równanie {6} przedstawia napięcie na kondensatorze w postaci wykładniczej funkcji
rosnącej
Rys. 7. Funkcja wykładnicza napięcia (uc) i prądu ładowania (i) na kondensatorze w
generatorze RC
TKME
Ćwiczenie 5
9
Korzystając z kolei z zależności {1} i {6} otrzymuje się zależność na prąd ładowania
kondensatora, jako zanikającą funkcję wykładniczą:
{6}
W procesie ładowania kondensatora prąd w obwodzie maleje od wartości początkowej
(przy t=0) do i= 0 (przy t=∞), a napięcie na kondensatorze rośnie od wartości uc= 0 (przy t=0)
do wartości uc = U (przy t=∞). (Rys. 7) Po całkowitym naładowaniu kondensatora do napięcia
źródła U można go rozładować odłączając źródło i przyłączając równolegle do kondensatora
rezystancję Rs (rezystancja szczeliny roboczej w przypadku obwodu dla EDM).
W obwodzie takim popłynie zanikający prąd
{7}
Analogicznie jak dla przypadku ładowania korzystając z zależności:
{8}
{9}
oraz z zależności:
{10}
Znak minus w wyrażeniu {9} oznacza, że ładunek maleje. Otrzymujemy następujące
wyrażenie:
{11}
Rozwiązanie równania {11} daje zanikającą funkcją przebiegu napięcia postaci (Rys. 8):
{12}
Rys. 8. Przebieg napięcia i prądu w obwodzie podczas rozładowywania kondensatora
TKME
10
Ćwiczenie 5
Dalej korzystając z zależności {10} i {12} otrzymuje się zależność na przebieg prądu postaci:
{13}
Czas ładowania i rozładowywania zależy od rezystancji i pojemności obwodu. Iloczyn tych
dwóch parametrów RC (dla rozładowywania RsC) ma wymiar czasu i został nazwany stałą
czasową obwodu: T= RC [s].
2.5.
Inne rozwiązania funkcjonalne generatorów w obrabiarkach EDM
W mikroobróbce elektroerozyjnej najczęściej stosowane są układy zasilania opartego
o klasyczny układ generatora relaksacyjnego, zależnego, typu RC opisanego powyżej.
Poza omówionym generatorem RC w obróbce elektroerozyjnej wykorzystuje się
również generatory tranzystorowe i maszynowe. Generatory te działają na innej zasadzie niż
relaksacyjne (zależne). Wspólną nazwą, jaką są określane to generatory impulsowe, stąd też
wyróżnia się obróbkę elektroimpulsową w przeciwieństwie do obróbki elektroiskrowej przy
zastosowaniu układów relaksacyjnych. Cechą charakterystyczną tych generatorów jest brak
kondensatora, w związku z tym nie wyróżnia się obwodu ładowania i wyładowania. W odróżnieniu od generatorów relaksacyjnych (zależnych) impulsy wytwarzane są z ustaloną
częstotliwością niezależnie od stanu szczeliny (stąd nazwa generatory niezależne).
W generatorze maszynowym impulsy o stałej częstotliwości są wytwarzane przez
wielobiegunową maszynę prądu stałego zależnie od konstrukcji oraz prędkości obrotowej.
Ten sposób generowania impulsów pozwala osiągnąć dużą wydajność przy obróbce zgrubnej
(duża energia pojedynczych impulsów oraz mała częstotliwość). Z kolei przy obróbce
wykańczającej wydajność jest mała (małe energia impulsów przy dużej częstotliwości).
W związku z tym generatory takie nie znalazły zastosowania w mikroobróbce EDM.
Generator tranzystorowy ma możliwości niezależnej i dowolnej zmiany napięć w dość
dużym zakresie. Poza tym pozwala na sterowanie długotrwałością impulsów oraz przerw
między nimi. Ma on bardziej złożoną budowę niż generatory typu RC, w związku z tym jest
droższy. Niewątpliwą zaletą jest jego większa wydajność, dlatego też znalazł szerokie
zastosowanie w tradycyjnej obróbce EDM.
TKME
Ćwiczenie 5
3.
OBRÓBKA ELEKTROEROZYJNA ELEKTRODAMI Z
WŁÓKA WĘGLOWEGO
3.1.
Struktura i wytwarzanie włókien węglowych
11
Włókna węglowe wytwarza się z włókien tworzywa sztucznego, poliakrylonitrylu
(PAN), będącego polimeryzatem akrylonitrylu (znanego pod nazwami orlon lub anilana jako
włókna odzieżowe). Główna grupa poliakrylonitrylu ma wzór chemiczny CH2=CH-CN.
Podstawowe zalety włókien węglowych to znikoma cena oraz bardzo mała średnica,
wynosząca 6÷10 µm – Rys. 9.
Rys. 9. Włókno węglowe o średnicy 6 µm w porównaniu z włosem ludzkim. (1- włókno
węglowe, 2-włos ludzki)
Włókna PAN posiadają strukturę łańcuchową, otwartą. W specjalnych operacjach
chemicznych przekształcane są poprzez reakcje zmieniające usieciowanie na tworzywo
nietopliwe, a następnie w postaci już stabilnej termicznie poddawane są pirolizie w stanie
stałym przy temperaturze około 1600 oC i przekształcane ostatecznie we włókna węglowe.
Głównymi operacjami chemicznymi są cyklizacja termiczna i odwodornienie. Cyklizacja
termiczna zmienia połączenia w celu utworzenia łańcucha zamkniętego, zaś odwodornienie –
zastąpienie grup CH2 grupami CH, natomiast grup CH atomami C – Rys. 10.
CH2
CH
CH2
CH
C
C
N
CH2
CH
C
N
CH
CH2
C
CH
C
C
N
N
CH
C
C
N
CH
C
C
N
CH
C
C
N
CH
C
C
N
CH
C
C
N
CH
C
C
N
CH
C
C
N
N
CYKLIZACJA TERMICZNA ODWODORNIENIE
operacja zmieniająca
zastąpienie grupy CH węglem
połączenia
oraz grupy CH2 grupą CH
Rys. 10. Kolejne etapy przy wytwarzaniu włókna węglowego
PREKURSOR włókna
poliakrylonitrylu (PAN)
TKME
12
Ćwiczenie 5
Włókna o dużej wartości modułu Younga otrzymuje się po podgrzaniu do temperatury
około 3000 oC. Po obróbce termo-chemicznej włókna są zbudowane z połączonych ze sobą
atomów węgla, tworzących łańcuchy ułożone wzdłuż osi włókna. Zawartość węgla we
włóknie zawiera się w granicach od 92 do prawie 100%. Gotowe włókno węglowe o różnych
właściwościach i w różnej postaci: tkanin, pociętych włókien lub ciągłej są dostępne
komercyjne – Rys. 11.
Rys. 11. Zwoje włókna węglowego (PAN) ok. 50 000 pojedynczych włókien
(źródło http://www.zoltek.com/)
3.2.
Właściwości włókien węglowych
Właściwości włókien węglowych są uzależnione od materiału prekursora z jakiego
powstają oraz od procesu technologicznego.
W porównaniu z typowymi materiałami stosowanymi na elektrody w µEDM włókna
węglowe posiadają szczególnie małą rezystywność, która jest kilkakrotnie mniejsza niż
rezystywność Cu. Na uwagę zasługuje bardzo wysoka wytrzymałość doraźna na rozciąganie,
przewyższająca nawet właściwości mechaniczne stali. Odporność termiczna jest porównywalna
z najlepszym pod tym względem materiałem, jakim jest wolfram. Przykładowe właściwości
włókien węglowych zostały zebrane w Tabeli 1.
TKME
Ćwiczenie 5
13
Tabela 1. Przykładowe dane dotyczące właściwości dla włókna węglowego PANEX®
35 CONTINUOUS TOW firmy ZOLTEK
3.3.
Właściwość
Wartość
Wytrzymałość na rozciąganie
4137 Mpa
Moduł Younga
242 GPa
Rezystywność elektryczna
0.00155 ohm·cm
Gęstość
1.81 g/cm3
Średnica
7.2 µm
Zawartość węgla
95%
Wydajność
270 m/kg
Masa szpuli
5.5 kg
Długość szpuli
1500 m
Wymagania dotyczące materiałów elektrodowych
Porównanie odporności elektroerozyjnej różnych materiałów elektrodowych na pod-
stawie tzw. zależności Pałatnika
RER = C
ρ λc T 2
{14}
wykazuje, że najlepszym materiałem pod tym względem jest wolfram, a jak wskazują
badania praktyczne także spiekane węgliki wolframu. Węgiel (grafit) jest materiałem
wielokrotnie mniej odpornym. W Tabeli 2 zestawiono wartości wyliczonej z zależności {14}
odporności elektroerozyjnej.
Tabela 2. Odporność elektroerozyjna różnych materiałów
Właściwość
Oznaczenie Jednostka (SI) Cu
Pojemność cieplna
C
J/(kg·K)
Gęstość
ρ
(103) kg/m3
Konduktywność cieplna
λc
W/(m·K)
Temperatura topnienia
T
W
Zn
Ni
C(1) C(2)
135
381
440
685
685
8,97 19,3 7,15 8,92
1,76
1,76
400
1520
20
1083 3410 420 1455
350
3000
1620 6029 53,8
2,22
217
385
właściwa
RER = C
ρ λc T 2 (109)
o
C
199
TKME
112
70
582
14
3.4.
Ćwiczenie 5
Konstrukcja krótkich elektrod
Włókna węglowe, aby mogły pracować jako elektrody robocze w EDM muszą mieć
zapewniony kontakt elektryczny. W tym celu zastosowano specjalnie przygotowaną część
chwytową, która umożliwia zarówno kontakt elektryczny jak i trwałe mechaniczne
zamocowanie włókna.
1
2
φ 1,0
3
~1
~20
~1,5
Rys. 12 Konstrukcja krótkiej elektrody z włókna węglowego: 1) część chwytowa,
2) włókno węglowe, 3) stop łączący
3.5.
Wytwarzanie i wykonanie krótkich elektrod
Kolejne etapy wytwarzania takich elektrod są następujące: 1) przygotowanie części
chwytowej z mosiądzu, 2) wykonanie krótkiego otworu na czole części chwytowej, 3) wypełnienie otworu stopem charakteryzującym się wysoką plastycznością i uformowanie
wierzchoka, 4) wywiercenie w stopie mikrootworu, 5) wprowadzeniu włókna do mikrootworu
i przycięciu oraz 6) mechanicznym zaciśnięciu włókna w stopie - Rys. 13.
Rys. 13. Kolejne etapy wytwarzania elektrody krótkiej
TKME
Ćwiczenie 5
15
Rys. 14 Przykład poprawnie wykonanej elektrody z częścią roboczą z włókna
węglowego. Długość części roboczej ~0,7 mm
Po mechanicznym ucięciu włókna, zakończenie elektrody jest nieregularne. Geometrię
zakończenia włókna można poprawić techniką impulsowego wyładowania elektrycznego lub
bezpośrednio w układzie obróbkowym µEDM stosując przycinanie elektroerozyjne – Rys. 15
Rys. 15. Zakończenia elektrod z włókien węglowych po mechanicznym odcięciu (a)
oraz po przycięciu elektroerozyjnym (b).
4.
STANOWISKO LABORATORYJNE I REZULTATY
OBRÓBKI
4.1.
Stanowisko laboratoryjne
W skład stanowiska wchodzi: mikroskop laboratoryjny wyposażony w stolik X-Y
pozwalający na dokładne (ręczne) pozycjonowanie w płaszczyźnie poziomej, generator RC
zaprojektowany do µEDM, cyfrowe wskaźniki położenia X-Y, mikroamperomierz.
Pozycjonowanie stolika dokonuje się za pomocą pokręteł, a ustawienia odczytuje na
optoelektronicznych wskaźnikach położenia (rozdzielczość odczytu 1 µm). Na samym stoliku
X-Y zamocowano płytę podstawy (metapleks), na której umieszczono wannę, w której
odbywa się proces obróbki. W wannie w specjalnym uchwycie zamocowano przedmiot
TKME
16
Ćwiczenie 5
obrabiany. Ma on połączenie galwaniczne z gniazdem przyłączeniowym. Elektrodę roboczą
mocuje się z kolei do wieszaka przymocowanego do obiektywu mikroskopu – Rys. 16., ale
nie bezpośrednio tylko przez separator elektryczny, w którym znajduje się również kontakt do
przyłączenia zasilania, w postaci wkrętu. Wkręt równocześnie służy do mechanicznego
zamocowania elektrody w odpowiedniej pozycji. Pozycjonowanie elektrody w osi Z
dokonywano poprzez ustawienie obiektywu mikroskopu, który można zablokować w określonym położeniu. W celu precyzyjnych ustawień można posłużyć się czujnikiem zegarowym,
mocując go do mikroskopu celem obserwacji ruchu w osi Z. Obie elektrody podłącza się do
zasilania – przedmiot obrabiany bezpośrednio przewodem do odpowiadającego mu gniazda
generatora, elektroda robocza zaś poprzez szeregowo wpięty w obwód miliamperomierz.
Rys. 16. Stanowisko laboratoryjne:
1) Podstawa mikroskopu, 2) Stolik X-Y, 3) Wskaźniki położenia X-Y, 4) Pojemnik (wanna) z
dielektrykiem, 5) Wieszak z elektrodą roboczą, 6) Obiektyw mikroskopu, 7) Generator RC, 8)
Mikroamperomierz, 9) Pomiar położenia w osi Z (czujnik zegarowy), 10) Czujnik indukcyjny
przemieszczeń w osi X (dodatkowy), 11) Wskaźnik czujnika indukcyjnego
4.2.
Wyniki badań mikrodrążenia elektrodami z włókien węglowych
Wynikiem mikroobróbki elektroerozyjnej z użyciem włókien węglowych jest
powstanie mikrowgłębienia.
TKME
Ćwiczenie 5
17
Strefa obróbki jest otoczona produktami pirolizy dielektryka, w którym odbywa się
proces (tu nafta kosmetyczna) – Rys. 17.
a)
b)
c)
Rys. 17. Mikrowgłębienie o średnicy ~24 µm wykonane elektrodą z włókna węglowego: tuż
po obróbce (a), po pomiarze profilometrem stykowym (b), po oczyszczeniu (c)
Pomiary wykonane przy pomocy profilometru optycznego wskazują na znaczą nieregularność
dna otworu jak również krawędzi – Rys. 18 Przyczyną nieregularności kształtu otrzymanych
wgłębień jest niewspółosiowość włókna węglowego i części chwytowej oraz ruch włókna pod
wpływem gwałtownych zjawisk obróbkowych.
Rys. 18. Trójwymiarowa wizualizacja otworu drążonego elektrodą z włókna
węglowego – widoczne również wyładowania wokół strefy obróbki.
Wyniki przeprowadzonych eksperymentów wskazują na znaczne zużycie elektrody roboczej
wraz ze wzrostem energii wyładowań - Rys. 19 i 20
TKME
Ćwiczenie 5
EWR µ m3/s; EWR/MRR
120
12
EWR
100
10
MRR
EWR/MRR
80
8
60
6
40
4
20
MRR µ m3/s
18
2
0
0
200
400
600
800
1000
1200
14000
Energia wyładowań E , nJ
Rys. 19 Zależność zużycia elektrody (EWR), wydajności drążenia (MRR) oraz relacji
zużycia do wydajności (EWR/MRR) od energii wyładowań
Zużycie liniowe lw , µm
78
76
74
72
70
68
66
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Energia E , µJ
Rys. 20 Zależność zużycia liniowego elektrody od energii wyładowań
5.
METODY POMIARU MIKROWGŁĘBIEŃ
5.1.
Pomiary mikrootworów wykonanych elektrodami z włókien węglowych
przy użyciu profilografu optycznego
Pomiary mikrootworów, których średnice zawierają się w granicach 10-30 µm w przy-
padku mikroEDM z użyciem włókien węglowych są często utrudnione. Zastosowanie
profilografometru stykowego jest uzależnione od wymiarów ostrza wzorującego. Dla ostrza
o wymiarach większych od średnicy otworu nie będzie możliwe przy otworach głębokich
zmierzenie prawidłowej głębokości - Rys. 21.
TKME
Ćwiczenie 5
19
Rys. 21 Schemat ilustrujący ostrze wzorujące o wymiarach większych od średnicy
otworu (a) oraz o wymiarach mniejszych niż wymiary mierzonego otworu (b).
Poza
tym
lokalizacja
mikrootworu
jest
trudna.
Niekiedy
potrzebne
jest
„przeskanowanie” powierzchni ostrzem wzorującym nim uzyska się pomiar przechodzący
przez średnicę otworu. W celu prawidłowego pomiaru tak małych wgłębień korzysta się
z profilografometrów optycznych opartych o optyczna mikroskopię koherentną (OCM optical coherent microscopy). Światło odbite od powierzchni badanego obiektu, w przypadku
mikrootworów odbicie od ścianek i dna otworu, interferuje z wiązką odniesienia. Wynikowy
sygnał interferencyjny obrazowany jest na matrycy CCD. Sygnał z matrycy ulega
przekształceniu na sygnał cyfrowy i zostaje przesłany do komputera. Przykład urządzenia
wykorzystującego OCM – optical coherent microscopy ilustruje Rys. 22.
Rys. 22. Profilometr optyczny NT2000
TKME
20
Ćwiczenie 5
Rys. 23 Przykład otworu wykonanego mikroEDM z wykorzystaniem włókna
węglowego. Trójwymiarowy obraz powierzchni oraz profilogram wykonane
profilografometrem Veeco
Zastosowanie skomputeryzowanej, skaningowej OCM umożliwia pomiar wysokości
profilu powierzchni w zakresie kilkuset mikrometrów z rozdzielczością pojedynczych
nanometrów. Zaletą tej metody jest to, że próbka nie wymaga jakiegokolwiek przygotowania
powierzchni.
5.2.
Literatura źródłowa (wykorzystana w opracowaniu)
1. Kaczmarek J.: Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej. WNT, Warszawa,
1971.
2. Popiłow Ł. Ja., Elektrofizyczna i elektrochemiczna obróbka materiałów, WNT
Warszawa 1971.
3. Trych A. Badania procesu mikrodrążenia elektroerozyjnego. Praca dyplomowa
magisterska. Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, 26.06.2008.
4. Kudła L.: Eksperymentalne próby mikrodrążenia elektroerozyjnego. Zbiór Referatów
Szkoły Naukowej Obróbek Erozyjnych KBM PAN, Zeszyt nr 12, OWPW Warszawa
2006.
5. Kudła L., Trych A. Badania mikrodrążenia elektroerozyjnego. Szkoła Naukowa
Obróbek Erozyjnych KBM PAN, Zeszyt 14. OWPW Warszawa 2008.
6. Kudła L. Ocena właściwości włókien węglowych pod kątem zastosowania na elektrody
do mikroobróbki elektroerozyjnej. SNOE KBM PAN, Zeszyt 14. OWPW Warszawa
2008.
7. Kudła L. Trych A.: Próby zastosowania włókien węglowych jako elektrod roboczych w
mikroobróbce elektroerozyjnej, Inżynieria Maszyn Vol. 12 No. 1, 2009;str. 58- 67.
8. Patorski K., Kujawińska M, Sałbut L.: Interferometria laserowa z automatyczną
analizą obrazu, OWPW Warszawa, 2005.
TKME
Ćwiczenie 5
6.
REALIZACJA EKSPERYMENTÓW TECHNOLOGICZNYCH
6.1.
Uwagi bhp
21
Podczas wykonywania w tym ćwiczeniu prac laboratoryjnych istnieje zagrożenie prądowe – obrabiarki i przyrządy pomiarowe są zasilane prądem przemiennym o napięciu 230 V
oraz nafta kosmetyczna jako dielektryk - ciecz łatwopalna. Sposób przeprowadzania prób
technologicznych demonstruje prowadzący ćwiczenie.
6.2.
Program ćwiczenia
Program ćwiczenia składa się z następujących zadań szczegółowych:
1. Przeprowadzić obserwacje mikroskopowe elektrody narzędziowej z włókna węglowego,
pojedynczego włókna węglowego oraz włókna węglowego w porównaniu do ludzkiego włosa.
Obserwacje zanotować i przedstawić na szkicu konstrukcję elektrody oraz poszczególne etapy
jej wykonania.
2. Przeprowadzić próby drążenia wgłębień walcowych stosując różne parametry elektryczne
zasilania (Uz, R, C) przy jednakowym czasie obróbki.
3a. Zarejestrować profilogramy wykonanych wgłębień, określić ich głębokość (przy użyciu
profilografometru optycznego Veeco NT2000).
lub
3b. Zmierzyć średnice poszczególnych wgłębień, określić rozbicie i opracować statystycznie
wyniki
4a. Obliczyć objętościową wydajność mikroobróbki dla poszczególnych prób oraz oszacować
liniowe zużycie elektrody narzędziowej.
lub
4b. Oszacować liniowe zużycie elektrody narzędziowej.
5. Opracować wyniki i podsumowanie.
6.3.
Wykonanie zadań
Obserwacje elektrod oraz włókien węglowych przeprowadza się przy użyciu mikroskopu
stereoskopowego. Elektrody są zainstalowane w pudełku ochronnym.
TKME
22
Ćwiczenie 5
W przypadku wariantu A (podpunkty 3 i 4) wyniki są rejestrowane w postaci elektronicznej.
Przykładowe wyniki pomiarów powinny być zamieszczone w sprawozdaniu w postaci
wydruków oraz zebrane w tabeli. Dla wariantu B pomiary powinny być zebrane w tabeli.
7.
SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: uwagi bhp, program ćwiczenia czyli
treść zadań, opracowanie zadań w postaci szkiców, podanie zastosowanych wartości parametrów i warunków technologicznych eksperymentów, wyniki eksperymentów, ilustracje
wyników
wykresami,
oszacowania
błędów
pomiarów
oraz
wnioski
dotyczące
przeprowadzonych doświadczeń.
8.
LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
1. Ruszaj A. Niekonwencjonalne metody wytwarzania elementów maszyn i narzędzi,
Kraków :Inst. Obróbki Skrawaniem, 1999.
2. http://www.4m-association.org/content/Electro-Discharge-Machining-0
3. http://www.edmtodaymagazine.com/AAweb2_2010/TechTips2010/TechTipsArchives
.html
TKME

vecco wysokiej wydajności

Transkrypt

Podobne dokumenty

Chemiczne badania kryminalistyczne