Obróbka EDM (Electrical Discharge Machining) to proces, którego celem jest odwzorowanie kształtu bryły elektrody (będącej formą narzędzia, wykonanego z miedzi lub grafitu) w przewodzącym prąd elektryczny materiale obrabianym (eroda). Proces erozji elektrycznej oparty jest na generowaniu silnoprądowych wyładowań elektrycznych zachodzących pomiędzy elektrodą, a erodą w otoczeniu dielektryka. Tym samym, pomiędzy powierzchniami, elektrody oraz przedmiotu obrabianego, zawsze musi występować pewna szczelina robocza (od 0.05mm do 0.1mm) – proces zachodzi „bezstykowo”, a więc bez mechanicznego kontaktu narzędzia z materiałem obrabianym. W przypadku drążarek wgłębnych (ubytkowych) dielektrykiem najczęściej są ciecze produkowane na bazie wysokooczyszczonych frakcji naftowych.
Erozja elektryczna
Aby móc opisać etapy występowania, czy też zachodzenia takiego pojedynczego wyładowania, najpierw należy wiedzieć z jakim typem bloku prądowego mamy do czynienie. Najczęściej, od tegoż typu zależy domyślna polaryzacja elektroda/eroda, a to z kolei definiuje, jaki prąd (jonowy czy elektronowy) będzie miał dominujący wpływ na proces drążenia.
Dwa podstawowe typy bloków to: RC oraz tranzystorowy. Pierwszy z nich, na dzień dzisiejszy, jest już rozwiązaniem „muzealnym” (choć stosowanym w pewnych specyficznych przypadkach) dlatego na potrzeby opisania etapów zachodzenia pojedynczego wyładowania zakładam zastosowanie tego drugiego.
Drążenie na generatorach tranzystorowych opiera się na wykorzystaniu łuku jonowego jako dominującego nośnika energii. Ponieważ łuk jonowy, to prowadzimy proces ze stosunkowo długimi impulsami (>150us) przy polaryzacji: elektroda (+), eroda (-).
Zasada działania takiego bloku w największym skrócie: materiał obrabiany podłączony jest do MASY układu, elektroda zaś do końcówki mocy generatora. Układ sterujący wysyła do generatora impulsów prostokątny sygnał zegarowy, który określa na jaki czas otwieramy/zamykamy tranzystory mocy umożliwiając/blokując przepływ prądu pomiędzy elektrodą, a erodą.
Etapy pojawienia się wyładowania:
- Elektroda zbliża się do erody na odległość „zapłonu”, a więc taką przy której możliwe jest wystąpienie iskry,
- Otwierane są tranzystory mocy w bloku prądowym, powodując pojawienie się wysokiego napięcia na elektrodzie,
- W wyniku dużej różnica potencjałów pomiędzy elektrodą, a erodą tworzy się między nimi pole elektromagnetyczne, którego natężenie jest największe tam, gdzie występuje najmniejsza odległość pomiędzy powierzchniami eroda-elektroda (należy pamiętać, że żadna powierzchnia nie jest idealnie płaska – zawsze ma pewne mikroskopowe wybrzuszenia/wklęśnięcia). W obszarze o największym natężeniu pola ciecz dielektryczna zostaje spolaryzowana do poziomu, dla którego rezystancja tego miejsca spada do wartości „krytycznej”, a więc takiej dla której może nastąpić przepływ prądu,
- Wyładowanie rozpoczyna się od rozpalenia łuku elektronowego, a więc od emitowania elektronów z materiału obrabianego i płynących w kierunku elektrody,
- Chmura elektronów zderzając się z cząsteczkami dielektryka (łańcuchy węglowodorowe) powoduje ich rozpad na cząsteczki wodoru oraz węgla. Na dalszym etapie, z atomów wodoru „wyrywany” jest elektron powodując pojawienie się w przestrzeni wyładowania „wolnych” protonów, a więc cząstek zjonizowanych dodatnio. Ów protony, rozpędzane w polu elektromagnetycznym zaczynają przemieszczać się w kierunku materiału obrabianego formując łuk jonowy. Ponieważ w przestrzeni wyładowania będziemy mieć do czynienia z chmurą „wolnych” elektronów i protonów, możemy mówić o rozpaleniu kanału plazmowego,
- Rozpędzone w polu elektromagnetycznym jony dodatnie zderzają się z powierzchnią materiału obrabianego przenosząc własną energię kinetyczną na erodę, w której zamieniana jest na energię cieplną. Następuje punktowe topienie materiału obrabianego, którego lokalna temperatura rośnie nawet do 14000°C,
- W wyniku wzrostu temperatury w obszarze wyładowania, wokół kanału plazmowego pojawia się pęcherzyk ze zgazowanym dielektrykiem,
- Zamykane są tranzystory mocy w bloku prądowym, powodując zakończenie przepływu elektronów,
- Ze względu na bardzo dużą różnicę ciśnień między otoczeniem, a wnętrzem pęcherzyka ze zgazowanym dielektrykiem, następuje jego implozyjne zamknięcie się do środka, w rezultacie czego, punktowo roztopiony materiał erody jest wyrzucony do dielektryka, gdzie formuje się w niemal idealne kuleczki,
- Następuje rejonizacja dielektryka
Kolejne wyładowanie pojawia się w innym, najbardziej optymalnym w danym momencie, miejscu… i tak „wybierana” jest zadana objętość materiału obrabianego.
Zastosowanie EDM
Gdzie dzisiaj stosujemy obróbkę EDM? Ze względu na niską wydajność procesu w stosunku do innych konwencjonalnych metod obróbki (takich jak frezowanie, toczenie), przede wszystkim tam, gdzie wszystko inne zawodzi, a więc:
- w precyzyjnej obróbce materiałów trudnoskrawalnych takich jak stopy tytanu, stale hartowane, węgliki spiekane i inne nowoczesne stopy (np. inkonel),
- w przypadku, gdy proces obróbki musi być bezkontaktowy, co minimalizuje ryzyko pęknięć czy deformacji materiału obrabianego,
- w wykonywaniu głębokich, wąskich i skomplikowanych gniazd (w formach wtryskowych bądź wykrojnikach) do których „nie podejdziemy” frezem,
- w niestandardowych obróbkach takich jak: wykonywanie gwintów w materiałach trudnoskrawalnych, profilowanie bieżni tarcz diamentowych/CBN,
- w przypadku, gdy zależy nam na minimalizacji głębokości zmiany struktury wewnętrznej materiału (podobnie jak w przypadku cięcia laserem, czy wycinaniu plazmowym, tak i w EDM, topienie materiału stanowi podstawę obróbki. Jednak tu, w przeciwieństwie do innych metod, materiał jest topiony na głębokość nie większą niż 0,2 mm. A więc, jeśli materiał obrabiany jest hartowalny, jedynie cienka, zewnętrzna warstwa ulegnie utwardzeniu).