FYZIKÁLNÍ METODY OBRÁBĚNÍ Ing. Jana Kalinová 2013 Elektroerozívní obrábění

Proč fyzikální technologie? Vývoj a používání těžkoobrobitelných materiálů na konstrukce zařízení (žáropevné, žáruvzdorné, kalené mat., keramické, slinuté kovy, kompozitní, atd.) Možnost opracování tvarově složitých součástí Miniaturizace (sondy v medicíně, regulační technice, apod.) Propojení CAD/CAM v automatizovaných provozech

Nevýhody fyzikálních metod? Menší produktivita z hlediska úběru materiálu Vysoká energetická náročnost Vysoké vstupní náklady

Obrábění elektrickým výbojem Elektroerozivní elektrickou jiskrou Elektroerozivní elektrickým obloukem

Chemické obrábění Elektrochemické obrábění Chemické obrábění

Obrábění paprskem koncentrované energie Laser Elektronový paprsek Iontový paprsek Plazma

Mechanické procesy Obrábění ultrazvukem Kapalinovým paprskem Proudem brusiva

Obrábění elektroerozivní Pouze pro vodivé materiály !!! 1 – směr posuvu elektrody 2 – nástroj (katoda) 3 – generátor impulsů 4 – pracovní vana s dielektrikem 5 – tekuté dielektrikum (nebo plynné) 6 – obrobek (anoda) 7 – elektrický výboj a – vzdálenost anody a katody (5 až 100 mikrometrů)

Obrábění elektroerozivní Elektrotepelný proces, u kterého se úběr materiálu dosahuje elektrickými výboji mezi katodou (nástrojová elektroda) a anodou (obrobek) ponořenými do tekutého dielektrika (medium s vysokým elektrickým odporem) Úběr materiálu = elektroeroze (tání a odpaření materiálu)

Obrábění elektroerozivní h – hloubka kráteru d – průměr kráteru Qi – množství materiálu odebrané jedním výbojem k - součinitel úměrnosti mezi katodou a anodou We - energie výboje Ue - střední napájecí napětí Ie - střední napájecí proud t - trvání pulzu Qi = k . We (mm3) We = Ue . Ie . ti (J)

Fyzikální pochod úběru Přivedením napětí na elektrody vznikne výboj Intenzita výboje je funkcí a, znečištěním dielektrika a vodivostí dielektrika Výbojový kanál je v místě vysoké rychlosti iontů = vodivý kanál mezi elektrodami Zde je teplota 3000°C až 12000°C => tání a odpaření materiálu obou elektrod

Fyzikální pochod úběru Současně se odpařuje dielektrikum => bubliny, které praskají a vzniklé dynamické síly odebírají částečky materiálu Přerušením elektrického obvodu dojde ke snížení teploty, poklesu tlaku plynů, roztavený mat. je odplaven = > kráter Zbytky mat. zůstávají ve formě spalin a mikročástic

Fyzikální pochod úběru Cílem je dosáhnout opakovanými výboji na obrobku maximálního úběru a na nástrojové elektrodě minimálního opotřebení Požadujeme co nejvyšší produktivitu, tvarovou a povrchovou přesnost Zajišťujeme to polaritou obvodu, četností výbojů, volbou nástrojového materiálu a volbou dielektrika

Obrábění elektroerozivní Podle časového průběhu výboje rozlišujeme OBLOUK – stacionární výboj JISKRA – nestacionární výboj Výboj ovlivňuje množství odebraného materiálu a kvalitu povrchu obrobku.

Obrábění elektroerozivní Časové využití periody výboje q = ti / T q – časové využití periody výboje ti – trvání pulzu T – perioda, frekvence výbojů Podle q tedy dělíme výboje na jiskrové a obloukové.

Stacionární výboj – elektrický oblouk => větší úběry….. pro HRUBOVÁNÍ Doba trvání pulzu je delší, větší než 10-4 s Větší časové využití periody q = 0,2 až 1 Frekvence výbojů je nižší Hustota proudu 102 až 103 A/mm2 Teplota ve výbojovém kanálu nižší, tj. 3300°C až 3600°C Energie výbojů vyšší, tj. We = 102 J

Nestacionární výboj – elektrická jiskra => menší úběry….. pro DOKONČOVÁNÍ Doba trvání pulzu je krátká, menší než 10-4 s Malé časové využití periody q = 0,03 až 0,2 Frekvence výbojů je vysoká Hustota proudu asi 106 A/mm2 Teplota ve výbojovém kanálu vysoká, tj. cca 12 000°C Energie výbojů nižší, tj. We = 10-5 až 10-1 J

Využití elektroerozivního obrábění Hloubení dutin zápustek Hloubení forem (lisotechnika, vstřikování, aj.) Tvarově složité povrchy Řezání drátovou elektrodou Leštění povrchů Elektrokontaktní obrábění Mikroděrování

Elektroerozivní stroj

Elektroerozivní stroj Schéma zapojení částí stroje pro hloubení dutin zápustek a forem: 1 – pracovní hlava 2 – filtrační zařízení 3 – filtr 4 – dielektrikum 5 – čerpadla 6 – pracovní stůl 7 – obrobek (anoda) 8 – nástroj (katoda) 9 – generátor pulzů 10 – CNC řídící systém

Elektroerozivní stroj U CNC strojů je vše řízeno řídícím systémem: Pohyby a polohy pracovního stolu Pracovní parametry generátoru Přívod dielektrika Výměna elektrod ze zásobníku Řízení posuvu elektrody Kontrola probíhající elektroeroze, = >

Elektroerozivní stroj Různé aplikace vyžadují různé formy elektrických výbojů z generátoru !! Druhy generátorů: Závislé elektrojiskrové (relaxační) = opakované nabíjení a vybíjení kondenzátorů ze zdroje stejnosměrného napětí. Pracovní podmínky jsou závislé na napěťových poměrech v pracovní mezeře mezi anodou a katodou !

Elektroerozivní stroj Druhy generátorů: Nezávislé zdroje výbojů = pracovní podmínky nejsou závislé na napěťových poměrech v pracovní mezeře. Mechanické kolektorové a bezkolektorové generátory Tranzistorové širokorozsahové generátory (používají se nejčastěji).

Elektroerozivní stroj Optimální pracovní podmínky mezi elektrodami: Nastavení čelní mezery a a její udržování v pracovním cyklu Regulace proudu a napětí Nastavení doby a frekvence pulzů Volba dielektrika Volba materiálu nástrojových elektrod Regulace přísuvu nástrojové elektrody…. ….. zajišťuje SERVOMECHANISMUS

Druhy dielektrika Strojní olej Transformátorový olej Petrolej Destilovaná voda Speciální dielektrika od výrobců

Funkce dielektrika Izolant mezi elektrodami Odvod tepla z prac. prostředí Ohraničení výbojového kanálu Odstranění odebraného materiálu z místa výboje Zabránění usazení částic odebraného materiálu na nástrojové elektrodě

Vlastnosti dielektrika Dostatečný elektrický odpor Vhodná viskozita Dobrá smáčivost Bod vzplanutí > 60°C Hygienická a ekologická nezávadnost Nízká cena

Způsoby vyplachování dielektrika VNĚJŠÍ TLAKOVÉ VNITŘNÍ 1 – katoda, 2 – vana, 3 – dielektrikum, 4 – anoda, 5 – přívod dielektrika,

Způsoby vyplachování dielektrika ODSÁVÁNÍM katodou ODSÁVÁNÍM z vany 1 – katoda, 2 – vana, 3 – dielektrikum, 4 – anoda, 5 – přívod dielektrika, 6 - odsávání

Způsoby vyplachování dielektrika PULSNÍ KOMBINOVANÉ 1 – katoda, 2 – vana, 3 – dielektrikum, 4 – anoda, 5 – přívod dielektrika, 6 - odsávání

Nástrojové elektrody Konstruují se pro každý případ zvlášť Výrobní náklady činí až 50% Celistvé Skládané Kovové Nekovové Kombinované

Požadavky na elektrodový materiál Dobrá elektrická vodivost Dobrá tepelná vodivost a kapacita Vysoký bod tání a bod varu Odolnost proti elektrické erozi Adekvátní mechanická pevnost Tvarová stálost Malá tepelná roztažnost Dobrá obrobitelnost

Kovové materiály Elektrolytická měď Slitina W a Cu Slitina W a Ag Slitina Cr a Cu Měď Ocel

Nekovové materiály Grafit Kombinované Kompozice grafitu a mědi

Výběr z kombinací nástroj-obrobek HRUBOVÁNÍ ELEKTRODA OBROBEK KVALITA POVRCHU W – KARBID OCEL STŘEDNÍ HLINÍK DOBRÁ MOSAZ TITAN MĚĎ ANTIKORO GRAFIT RYCHLOŘEZNÁ

Výběr z kombinací nástroj-obrobek NAČISTO ELEKTRODA OBROBEK KVALITA POVRCHU W – KARBID OCEL DOBRÁ HLINÍK ŠPATNÁ =>MOSAZ/OCEL MOSAZ TITAN MĚĎ ANTIKORO STŘEDNÍ GRAFIT RYCHLOŘEZNÁ

CNC řízení pohybů jednoduché elektrody 1 - obrobek, 2 – elektroda, 3 – pracovní pohyby

Složená elektroda Jednotlivé díly elektrody Vyrobená forma a výrobek

Rozměry elektrody kruhového tvaru d – průměr nástrojové elektrody D – průměr dutiny a – velikost pracovní mezery Rmax – drsnost povrchu Z – tloušťka narušeného povrchu Mm – hodnota o niž musí být nástroj menší

d = D – 2(a + Rmax + z) = d – 2 Mm d = D – 2a Rozměry kruhové elektrody - hrubování d = D – 2(a + Rmax + z) = d – 2 Mm Rozměry kruhové elektrody - načisto d = D – 2a

Upínání elektrody na přírubu Upínání se volí podle požadované: Přesnosti výroby Operativnosti Hospodárnosti Systémové použitelnosti

Upínání elektrody za stopku

Upínání elektrody – výměnné držáky

Řezání – stejný princip jako hloubení Přímkové tvarové plochy 1 – drátová elektroda (katoda) 2 – CNC řídící systém 3 – generátor 4 – směr posuvu elektrody 5 – vyřezaná drážka 6 – obrobek (anoda)

Drátová elektroda Měď, mosaz, molybden Posuv a pohyb CNC řízením v 6ti osách Drát tvarově přesný Předepjatý Rovný Kalibrovaný diamantovým průvlakem

Celé zařízení 1 – zásobník drátu 2 – přívod výbojového proudu 3 – horní vedení drátu 4 – napínání drátu 5 – obrobek 6 – startovací díra 7 – řezaný tvar 8 – dolní vedení drátu 9 – přívod dielektrika

Obrobky drátořezem

Tvarová drátová elektroda - dutiny

Tvarová drátová elektroda Třírozměrné součásti (nejen plošné) Materiál - měď Tvar trubky obdélníkového průřezu Vysoká pevnost a tuhost nástroje Pohyb ve všech osách Výroba dutin i „obrobku“

Leštění povrchů Pro Ra = 0,2 Pulzy nízké energie Pulzy krátké doby trvání (3 až 5 μs) Nástroj má leštěný povrch Nástroj koná kmitavý pohyb Krátery se překrývají Hospodárná leštěná plocha do 100cm2

Výroba mikrootvorů Pro Ra = 0,08 až 0,5 Otvory průměr 0,02 až 5mm Hloubka až 100mm Nízká energie pulzů a krátká doba pulzů (3 až 5 μs) Vedení elektrody skleněnou kapilárou Polohování nástroje přídavným optickým zařízením Při vyplachování dielektrika elektroda kmitá díky Ultrazvukovému generátoru kmitů

Výroba mikrootvorů 1 – elektroerozivní stroj 2 – ultrazvukový generátor 3 – řídící systém stroje 4 – dielektrikum 5 – obrobek 6 – nástrojová elektroda 7 – generátor pulzů 8 – převodník elektrických kmitů na mechanické

Elektrokontaktní obrábění Úběr materiálu obloukovým výbojem Zapojení na střídavý proud Transformátor 10 až 250kW Frekvence 50 až 500Hz Doba trvání výboje až 0,01s Nástrojová elektroda koná otáčivý pohyb => nedojde k přivaření nástroje k obrobku Na elektrodě drážky k lepšímu výplachu dielektrika

Elektrokontaktní obrábění Úběr materiálu až 106 mm3/min Tepelné ovlivnění do hloubky 0,2 až 5mm Vysoká energetická náročnost Vznik ultrafialového záření Nízká kvalita obrobené plochy Vhodné pro řezání nálitků, vtoků, opracování svarů

Elektrokontaktní obrábění 1 – napájecí zdroj, 2 – transformátor, 3 – obrobek, 4 – nástrojová elektroda

Použité zdroje ŘASA, Jaroslav, Přemysl POKORNÝ a Vladimír GABRIEL. Strojírenská technologie 3. 1. vyd. Praha: Scientia, 2001, 221 s. ISBN 80-718-3227-8.