Precizia de fabricatie in cazul eroziunii electrice cu electrod

filiform

Fenomenul de eroziune electrica cu electrod filiform

Eroziunea electrica cu electrod filiform este un concept neconventional de

prelucrare, care se utilizeaza pe scara larga in principal la realizarea de stante si matrite.

Pe de alta parte acest procedeu de prelucrare se utilizeaza pentru finisarea pieselor din

industria aerospatiala si auto, precum si in realizarea componentelor chirurgicale de

precizie. Aceasta tehnica a fost dezvoltata la inceputul anilor `40 procesul fiind bazat pe

indepartarea materialului din piesa prin aplicarea unei serii repetate de descarcari

electrice ce se realizau intre piesa de prelucrat si scula numita si electrod filiform in

prezenta unui fluid dielectric. Electrodul filiform se apropia de piesa pana cand se

indeplineau conditiile necesare realizarii descarcarilor electrice prin ionizarea fluidului

dielectric. Descarcarile electrice sunt generate in interstitiul dintre piesa da prelucrat si

electrodul filiform pana cand acesta creste suficient incat sa nu se mai realizeze

descarcarile electrice astfel fiind nevoit ca firul sa fie deplasat cu o anumita viteza astfel

incat interstitiul sa ramana la o valoare aproximativ constanta.

Un lucru important in acest proces este acela ca electrodul filiform nu atinge piesa

de prelucrat in timpul procesului, astfel sunt eliminate tensiunile mecanice, frecarile si

vibratiile ce pot aparea de-a lungul prelucrarii.

Prelucrarile de eroziune electrica cu electrod filiform au devenit un important

proces de prelucrare neconventional utilizat foarte mult in prezent si in industria nucleara

si pentru prelucrarea materialelor cu forme complicate dure si foarte dure (titan si aliajele

lui, zirconiu, etc), a celor aliate si a carburilor cu conditia ca acestea sa fie conductoare de

curent. Un pas foarte important este sa se faca o setare a parametrilor de prelucrare cat

mai optim pentru a avea un raport bun intre viteza de prelucrare si calitatea suprafetei.

Incorecta alegere a parametrilor de taiere pot duce la aparitia unor consecinte ca aparitia

scurtcircuitarii intre piesa si electrodul filiform, ruperea lui, dar si impunerea unor limite

care ar duce la scaderea productivitatii.

1

Studiul preciziei de taiere

Pentru a efectua un studiu cat mai complet trebuie sa luam in calcul toti factorii si

parametrii ce actioneaza in timpul procesului de prelucrare si sa facem o analiza asupra

fiecarui factor in parte.

Trebuie luat in calcul ca prin eroziune electrica cu electrod filiform suprafata

realizata in urma taierii este constituita dintr-o sumedenie de cratere cauzate de catre

scanteile electrice. Cu cat energia de descarcare este mai mare cu atat craterele vor fi mai

adanci rezultand o suprafata mai rugoasa, pot sa apara schimbari de structura a

materialului, fisuri si tensiuni pe suprafata rezultata. In scopul obtinerii unei suprafete cat

mai bune cateva investigatii au condul la folosirea unui dielectric cu conductivitate mai

scazuta pentru a reduce curentii din dielectric obtinandu-se suprafete cu rugozitate mai

mica. Prin analogie, utilizarea generatorul de curent alternativ confirma obtinerea unor

rezultate bune.

Acest rezultat este usor de inteles, deoarece oxidarea materialului pe suprafata de

prelucrat este evidenta atunci cand se utilizeaza un generator de curent continuu.

Calitatea suprafetelor poate fi imbunatatita prin cresterea pantei de curent si a

pulsului acestuia la timpul potrivit, alternativ, ea poate fi realizata prin reducerea curentul

de varf. Practic utilizand o energie mai mica si un generator pulsator de curent alternativ

dupa ce s-a facut taierea de degrosare pot duce la obtinerea unor suprafete foarte fine.

1. Influenta parametrilor de prelucrare asupra suprafetei

Tensiunea si rezistenta electrica

Majoritatea cercetarilor legate de circuitele generatoare de pulsuri electrice pentru

operatia de degrosare sublinia ca factorul dominant care afecteaza rugozitatea suprafetei

este impulsul electric, pentru ca rugozitatea suprafetei prelucrate depinde de marimea

scanteilor. Craterele mai putin adanci cu un diametru mai mare conduce la o rugozitate

mai buna a suprafetei.

2

Pentru a obtine cratere cat mai plate produse de scantei este important de a

controla energia electrica descarcata la un nivel mai mic prin setarea unui puls mai mic

deoarece majoritatea masinilor de prelucrare prin eroziune electrica cu electrod filiform

au fost concepute pentru descarcari electrice proportionale cu pulsul generatorului. O

energie de descarcare mare va cauza scanteieri violente si rezultatele se vor observa prin

cratere mai profunde pe suprafata prelucrata.

Dupa ce materialul topit este racit de catre dielectric pe periferia craterului va

ramane o suprafata rugoasa, iar pentru operatia de finisare este recomandat a se utiliza un

puls setat la valoare constanta de 0.05µs. Prin urmare marimea unui crater depinde

exclusiv de circuitul generator de impulsuri care produce scanteierea. Circuitul modificat

cu o tensiune mica si rezistenta mare au fost folosite astfel incat sa ofere o energie mica

de descarcare si prin urmare producand o suprafata mai buna a piesei.

Tipul sistemului de generare a impulsurilor

Din rezultatele experimentale s-a constatat ca masurand rugozitatea suprafetei

obtinuta prin utilizarea unui generator de puls de curent continuu cu polaritate pozitiva

adica, electrodul filiform la anod si piesa la catod, este mai buna decat daca am utiliza un

generator de curent alternativ. Diferit fata de generatorul de pulsuri electrice folosit in

procesul de degrosare, in cel de finisare, polaritatea ramane neschimbata atat pentru

initiere cat si pentru taiere, in loc sa fie schimbata la polaritate negativa. Pe scurt,

prelucrand cu diferite polaritati se vor obtine diferite marimi ale craterului format in urma

unei scantei si diferite rugozitati.

Fig 1.Circuitul original de pulsuri

electrice

3

Fig 2.Generator de pulsuri modificat pentru procesul de finisare

Relatia dintre rata de eroziune a anodului sau catodului si pulsul electriceste

ilustrat schematic in figura 3. Este evident ca rate de erodare la catod este mai mica decat

rata de erodare a anodului in timpul prelucrarii, cu un puls destul de mic programat cum

ar fi 0.5 µs. Este evident ca marimea craterului produs de o scanteie de pe suprafata

anodului va fi mai mica decat cea de pe suprafata anodului.

Prin urmare s-a adoptat un generator de curent continuu cu polaritate pozitiva

electrodul filiform fiind atasat la anod. Din punct de vedere a rugozitatii suprafetei, este

net superior folosirea unui generator de pulsuri electrice de curent alternativ care trebuie

doar schimbat alternativ anodul cu catodul.

Fig 3. rata de erodare a anodului si catodului

4

Fig 3.1 Suprafete obtinute cu cele doua tipuri de polaritati

Capacitatea

Dupa cum se stie si din rezultatele experimentale, calitatea suprafetei va fi mai

buna daca se utilizeaza capacitoare mai mici sau daca este posibil chiar deloc deoarece

acestea inmagazineaza energia electrica intr-un timp scurt si o elimina mai lent

producand scanteieri mai violente asupra suprafetei, curentul de varf va fi cu atat mai

mare cu cat capacitorul va fi mai mare.

Acest lucru poate fi verificat de asemenea, la aparitia scantei, aceasta va fi mai

luminoasa si de o intensitate mai mare. Este de observat ca exista un timp mort de

aproximativ 8μs dupa descarcare pentru a recupera decalajul la starea sa initiala, dar

tensiunea de descarcare nu a atins nivelul zero datorita energiei continue furnizate de

acest capacitor. Prin urmare descarcarea neuniforma de energie va avea loc chiar si atunci

cand pulsul electric este inchis. Bazat pe aceste observatie, este inferior recomandat

alegerea unui capacitor mare care va produce cratere mai adanci si o proasta prelucrare a

suprafetei prin finisare, se recomanda folosirea unor capacitoare mai mici.

Tipul dielectricului

Desi conductivitatea dielectricului nu este un factor foarte semnificativ asupra

preciziei si rugozitatii acesta poate pune mari probleme in timpul operatiei de finisare

unde chiar si cel mai mic factor isi face simtita prezenta.

5

Figura 4 ne arata unda descarcarii electrice si curentul pentru diferite

conductivitati ale dielectricului, unde este prezentat curentul si tensiunea de descarcare.

Se poate observa ca xeista anumite pierderi de curent in etapa in care tensiunea de

initiere este aplicata, in special pentru cazul cand conductivitatea este egala cu pana la

30μS / cm si 45 μS/cm. Aceste pierderi sau scurgeri de curent sunt cunoscute si sub

numele de curent electrolitic.Aplicarea de tensiune suplimentara intre doi electrozi va

creste forta motrice a reactiilor chimice care faciliteaza procesul de electroliza.

In urma acestui proces vor rezulta pe suprafata piesei pete diferite iar suprafata

nefiind cea scontata. Crearea de curent electrolitic formeaza fluxuri de electroni si ioni.

Din moment ce curentul electrolitic este crescut proportional cu cresterea de

conductivitate dielectrica dupa cum apare in figura 4 vor aparea oxidari ale suprafetei.

Generatoarele de pulsuri de curent alternativ sau cele de curent continuu la

polaritate pozitiva nu inlatura realizarea electrolizei. Cu toate acestea descarcarile

electrice nu sunt capabile sa aibe loc intr-un dielectric de inalta conductivitate. Acestea

scad odata cu cresterea rezistentei, dar curentul electrolitic ramane la acelasi nivel in

circumstantele pastrarii aceleasi conductivitati.

Atunci cand oeste folosita o rezistenta mare scanteile de finisare sunt dificil de a

se produce pentru motivul curentului de descarcare care este mai mic fata de curentul

electrolitic. Prin urmare conductivitatea dielectricului trebuie luata sub 15 µs/cm pentru a

ne asigura de acuratetea scanteieri.

6

Fig 4. Variatia curentului si tensiuni de descarcare pentru diferite conductivitati

In concluzie legata de acest factor putem spune ca pentru a obtine o suprafata cu o

rugoziatate buna trebuie modificat circuitul traditional care folosea energie redusa de

initiere a scanteilor.

Tensiunea de prelucrare, limitarea rezistentei curentului, tipul generatorului de

pulsuri si capacitatea sunt identificate ca parametri semnificativi care afecteaza suprafata

prelucrata in procesul de finisare. Un circuit generator de pulsuri de curent continuu de

polaritate pozitiva poate realiza o rugozitate buna la finisare. In plus se constata ca o

conductivitate scazuta a dielectricului trebuie implementata pentru ca scanteierea sa aiba

loc.

Dupa analiza facuta asupra fiecarui factor privind rugozitatea suprafetei si prin

alegera valorii parametrilor apropiate de cele studiate, este atinsa o valoare a rugozitatii

de Ra 0.22 μm. Imbunatatire este limitata, deoarece procesul de finisare devine tot mai

dificil din cauza aparitiei scurtcircuitarii, firul deformandu-se si aparitia vibratiilor atunci

cand energia este redusa dramatic.

7

Fig 5. Valori ale rugozitatii suprafetei la parametri diferiti de prelucrare

Generare datelor de comanda numerica pentru sistemul de compensare

Valoarea ∆ a interstitiului in procesul de eroziune electrica cu electrod filiform

depinde in mare masura de parametrii de prelucrare adoptati, dar de obice, are o valoare

cuprinsa in intervalul 0.025mm pana la 0.075 mm aceste valori fiind de fapt marimea

scanteilor electrice. Cu conditia ca parametri de prelucrare sa ramna neschimbati, ∆ poate

fi luat ca si o constanta. Valoarea datelor de comanda numerica genereate de precesul de

prelucrare indica pozitiile firului fata de piesa iar cu ajutorul codului G se fac deplasarile

astfel incat firul sa fie cat mai precis pozitionat fata de piesa.

Pentru a obtine un grad inalt de precizie de prelucrare, raza fizica a firului de

taiere trebuie sa fie luat in considerare atunci cand se genereaza aceste date de comanda

numerica.

Figura de mai jos prezinta o modalitate schematica a metodei de compensare

propuse, unde liniile groase reprezinta electrodul fizic in timp ce liniile punctate indica

raza efectiva a electrodului filiform.

8

Fig 6. Compensarea razei efective

Suprafata exterioara a piesei prezentata in figura 6 poate fi transpusa matematic in

ecuatia urmatoare:

Figura 7 a) si b) reprezinta imagini ale piesei de prelucrat folosind metoda

comenzii de compensare si schema de compensare a razei efective.

Fig 7 Corectiile de raza ale piesei

9

Partea piesei unde a fost nevoit a se utiliza metoda de compensare la comanda si a

metodei de compensare efectiva a razei, prezentat in cele doua variante a) fara

compensare si b) cu compensare se paote observa imbunatatirea adusa asupra preciziei de

executie, s-au dovedit a avea razele de 11.04 mm si 11.03 mm.

Aceste rezultate demonstreaza ca prin utilizarea celor doua procedee de

compensare se creste precizia geometrica fata de utilizarea controlerelor conventionale.

Influenta fortelor electromagnetice

Aceasta forta electromagnetica generata nu numai de curentul continuu ci si de cel

alternativ care trec prin electrodul filiform si piesa de prelucrat.

In procesul de taiere prin electroeroziune cu electrod filiform patru tipuri de forte

se pot determina in electrodul utilizat: forta reactanta de descarcare cauzata de

expansiunea rapida a unei bule de dielectric; forta electrostatica de tensiune ce se

realizeaza inte sarma si piesa in timpul deintarziere a descarcarii; forta electromagnetica

cauzata de catre descarcarile electrice, coloana de arc electric precum si forta

hidrodinamica generata de curgerea lichidului dielectric.

Aceste forte cauzeaza vibratii si deviaza firul de la traseul programat, reduc

precizia de prelucrare, viteza si stabilitatea electrodului filiform.

Fig 8. Forta electromagnetica generata de curentul continuu

10

Aceasta figura arata principiul fortei electromagnetice generata de componenta

ci\urentului direct. Se constata ca prin fir trece un curent constant producand unde

electromagnetice dispersate dinspre centrul firului spre exterior. In cazul in care piesa de

prelucrat este din cupru, iar atmosfera dintre electrodul filiform si piese este aer sau

dielectric, distributia densitatii fluxului magnetic este axial simetrica si antiorar pentru ca

toate materialele sunt paramagnetice si au permeabilitate in mod semnificativ mici, in

aceeasi ordine.

Forta electromagnetica poate fi calculata in functie de produsul vectorial de

densitatea de curent si densitatea de flux magnetic

Din acest motiv, rezultanta fortelor electromagnetice aplicata firului este

nesemnificativa din cauza distributiei axal simetrica a fluxului magnetic si densitatea

uniforma a curent.

In schimb, in cazul in care piesa de lucru este de otel, fluxul magnetic nu este

axial simmetric in jurul axei sarmei dupa cum se arata in fig. 8 (b) din cauza

permeabilitatii piesei de prelucrat, este semnificativ mai mare decat la alte materiale.

Fig. 9 arata principiul fortei electromagnetice generate de componentele de curent

alternativ din electrodul filiform.

Atunci cand curentul din sarma este in crestere, densitatea de flux magnetic creste

invers acelor de ceasornic, generand un camp magnetic in piesa de lucru cauzat de

inductie electromagnetica. Directia de curent generate de fiecare fluxului magnetic este

determinata in asa fel incat unda actuala anuleaza cresterea fluxului magnetic.

Astfel, forta electromagnetica cauzata de cresterea curentului genereaza forte

respingator. In acelasi mod, atunci cand curentul este în scadere, un curent alternant este

generat în piesa de prelucrat în conformitate cu sârma în aceeasi directie ca si curentul

din sarma.

11

Fig 9. Forte electromagnetice generate de curent alternativ

Sa constatat ca forta statica electromagnetica este atractiva, iar printre

proprietatile fizice ale materialelor de prelucrat, permeabilitatea exercita o influenta

semnificativa asupra fortei statice. Forta dinamica electromagnetica este respingatoare, si

amploarea sa este determinat de conductivitatea piesei de prelucrat.

Cu piesa de prelucrat din otel, care are permeabilitate mari si conductivitatea

mica, forta electromagnetica rezultanta este atractiva pentru ca forta statica are o pozitie

dominanta.

Controlul sistemului de transport al sarmei

Tensiunea din sarma precum si avansul acesteia trebuie strans controlate pentru a

putea obtine muchii cat mai drepte. Sistemul de tensionare al sarmei prezentat mai jos in

fig 10 garanteaza un transport fara probleme a sarmei si o valoare constanta a tensiunii.

In vederea obtinerii unui control cat mai bun al transportului sarmei si evitarea

ruperii sarmei in timpul avansului rola tambur este modificata iar rola intingator este

eliminata din mecaismul de transport al echipamentului.

12

Avansul firului se face in bucla deschisa controlat de un motor de curent continuu

cuplat direct pe o pereche de role de alimentare cu fir. Modelul dimanic al acestui sistem

este simplificat si pezentat schematic in fig 10.

Fig 10. Schema dinamica a sistemului de transport a sarmei a) original b)modificat

Sistemul modificat implica o serie de modificari mentionate anterior precum si

aceea ca firul este infasurat in jurul franei electromagnetice o singura data.

Fig 11. Schema sistemului de stocare a sarmei a) original b) modificat

13

Din schema reiese ca unghiul piulitei a fost modificat la valoarea de 45o. Datorita

rotatiei excentrice a rolei de sarma, sarma electrod vibreaza, iar tensiunea sarmei se

modifica periodic.

In ordinea reducerii efectului excentric de rotatie a bobinei, sistemul de

pozitionare a bobinei a fost post-echipat prin schimbarea inclinarii unghiului piulitei de

fixare pe ax de la 75 la 45 grade. Astfel s-au constatat vibratii mai mici ale firului si o

stabilitate mai buna in transportul sarmei.

Influenra curgerii fluidului dielectric asupra preciziei de taiere

Conventional, indepartarea particulelor de metal se realizeaza prin curgerea

jetului de lichid dielectric de la duza superioara si inferioara.Scopul nu este doar de a

indeparta materialul erodat ci si acela de a introduce dielectric nou in zona de lucru si de

a raci particulele topite de catre scanteiere.

Domeniul fluxului de lucru a fluidului dielectric in taieturile inguste realizate in

piese si efectul jetului de spalare, nu a fost inca clar studiat.

Figura 13 ne arata curgerea fluidului dielectric in functie de presiunea si

debitulacestuia, de unde se observa ca daca avem un debit mai mare al lichidului in zona

de lucru fluidul dielectric patrunde mai bine iar particulele de material sunt indepartate

mult mai rapid, obtinand suprafete cu o rugozitate mai scazuta decat in cazul unui debit

mic de fluid dielectric.

Fig 12. Diferite metode de detectare a curgerii lichidului dielectric

14

Fig 13. Curgerea fluidului in timpul prelucrarii

Distanta standard dintre duza superioara si cea inferioara fata de piesa este de

aproximativ 2 mm iar duzele au un diametru de 6 mm.

Dupa cum se poate observa din figura, o zona de strangere in cazul in care viteza

de debit este aproape de zero poate fi confirmata in jurul centrului in oricare dintre cele

noua conditii de pompare a jetului de dielectric. Daca se doreste ca zona de curgere sa fie

aproape de zero la mijlocul piesei se recomanda ca jetul inferior sa fie putin mai mara ca

cel superio deoarece intervine acceleratia gravitationala ce actioneaza contrar directiei de

pompare a acestuia.

15

Contributii personale

Rotirea electrodului filiform

Pentru a preveni uzuraelectrodului filiform doar pe jumatatea orientata catre

suprafata de prelucrat, prezentat in figura 14, am putea actiona cu un sistem de rotire a

cestuia in timpul prelucrarii, astfel in zona de actionare a scanteilor avand tot timpul o

suprafata a firului noua.

Fig 14. Uzura electrodului filiform

Se poate observa zona de uzura intensiva a electrodului filiform, care intotdeauna

la baza piesei uzura va fi maxima iar calitatea suprafetei va varia direct proportional cu

calitatea electrodului filiform, astfel ca in partea opusa directiei de deplasare a

electrodului filiform se vor constata cratere diferite fata de zona in care firul este nou,

adica in partea superioara a piesei.

Daca se actioneaza asupra firului printr-o rotire cu o anumita viteza, se aduce in

zona de lucru partea neuzata a acestuia, astfel putem sa micsoram viteza de alimentare cu

fir si sa realizam economisirea lui, pe de alta parte calitatea suprafetei fiind aceeasi pe

toate suprafata piesei.

16

Fig 15 Uzura neuniforma in functie de avans

Aceasta se intalneste mai frecvent la piesele cu dimensiuni de pana la 500-600

mm in grosime si o deplasare mai lenta a electrodului filiform.

Figura 16 ne prezinta variatia calitatii suprafetei in functie de sistemul de

alimentare cu fir utilizat in procesul de taiere.

Fig 16. Varitia calitatii suprafetei

17

Unul dintre sistemele de rotire a firului este prezentat mai jos, unde electrodul filiform este infasurat pe un tambur care datorita tensiunilor din fir si frecarii cu temburul il obliga sa se roteasca in sens orar, sistemul de ghidare avand rol de a nu lasa firul sa se deplaseze spre centrul tamburului conic.

Fig 17. Sistem de rotire a electrodului filiform

Fig 18 Erodarea firului pe intreaga suprafata si micsorarea unghiului de taiere

18

Fig 19 Variatia unghiului si acuratetea muchiei

Se observa din fig 19 ca prin folosirea sistemului de rotire a firului, la schimbarea traiectoriei de taiere atunci cand se realizeaza anumite muchii pe piesa, se pot obtine precizii mai bune (observabil in cazul piesei B). Figurile sunt facute exagerat pentru a putea fi pus in evidenta acest lucru si modul de corectie a lui. Desi acest fenomen poate fi neglijat la piese de grosime mica, in cazul celor groase ar fi bine sa se foloseasca acest sistem mai ales atunci cand se cere precizie dimensionala extrem de mare.

Acest lucru nu a fost facut practic ci doar teoretic si nu putem afirma cu desavarsire ca este plauzibila folosirea acestui sistem de rotire a firului.

In concluzie putem spune ca prin respectarea celor cateva metode de corectie prezentate in intreaga lucrare putem obtine o calitate dimensionala si de suprafeta destul de ridicata tinand seama ca electroeroziunea este un fenomen putin controlabil, scanteile avand forme variate si formarea lor fiind total aleatorie intr-um proces de taiere.

19