55533650-electroeroziune

PRELUCRAREA PRIN ELECTROEROZIUNE 2.1 ConsideraŃii teoretice

2.1.1 Principiul prelucrării prin electroeroziune Prelucrarea prin electroeroziune este o tehnologie neconvenŃională care are la bază procesele de eroziune. Procesele de eroziune sunt procese de distrugere a

integrităŃii straturilor de suprafaŃă ale obiectului supus eroziunii, cu ajutorul energiei

unui agent eroziv. Energia agentului eroziv, de natură mecanică, electrică, electromagnetică, electrochimică, chimică, termică sau mecanică, acŃionează în zona de interacŃiune sau spaŃiul de lucru eroziv şi se transformă în energie de distrugere a integrităŃii straturilor de suprafaŃă a piesei supusă prelucrării, având ca efect prelevarea

de material. Prelevarea de material are loc sub formă de particule care trebuie îndepărtate din spaŃiul de lucru, întrucât ele pot frâna continuarea eroziunii[25], [37].

Prelucrarea prin electroeroziune se bazează pe efectul eroziv polarizat al unor

descărcări electrice prin impuls, amorsate în mod repetat între un electrod (electrodul

sculă) şi obiectul prelucrării. Agentul eroziv este descărcarea electrică prin impuls. În spaŃiul dielectric dintre piesă şi electrodul - sculă, numit interstiŃiu eroziv au loc fenomene fizico-mecanice şi chimice, ca urmare a microdescărcărilor electrice amorsate. Aceste microdescărcări străpung spaŃiul dielectric simultan în foarte multe puncte. Energia de descărcare este localizată pe vârfurile microneregularităŃilor suprafeŃei piesei şi are ca efect topirea şi vaporizarea metalului, urmată de răcirea şi condensarea rapidă a metalului topit, rezultând produsele electroerozive. Microdescărcarea energiei electrice în interstiŃiu sub formă de impuls duce la formarea unor microcanale cilindrice pe vârful microneregularităŃilor, acolo unde stratul dielectric este străpuns. Aceste canale au diametrul de sute de microni, figura 2.1, şi lungimea de mµ150...100

sau mµ600...400 [25]. Ca urmare a ionizării intense, în aceste canale se formează arcul electric care topeşte şi vaporizează rapid microneregularităŃile. Deşi spaŃiul dintre electrozi este redus şi microcanalele au secŃiuni mici, 2/3 din căderea de tensiune de lucru are loc în această zonă.

Electrod

sculă

Canal de

descărcar

Electrod

piesă

Figura 2.1 Desc[rcarea @ntre

electrozi

ELECTROTEHNOLOGII

Procesul electroeoroziv este caracterizat de: • durata şi energia impulsului aplicat între cei doi electrozi; • mărimea coeficientului de umplere al impulsului; • circulaŃia dielectricului.

Descărcarea electrică ce apare la o anumită tensiune şi putere a sursei evoluează în patru etape succesive: descărcare luminiscentă, scânteie, scânteie - arc, arc electric. Descărcarea în arc nestaŃionar începe la o cădere de tensiune de 28-30 V şi se caracterizează printr-o stabilizare a diametrului canalului de descărcare şi a intensităŃii curentului de descărcare. Dacă descărcarea are loc în stadiul de scânteie, efectul termic se repartizează preponderent la anod, deoarece acestuia i se cedează energia electronilor frânaŃi, în timp ce în stadiul de arc nestaŃionar, efectul termic este preponderent la catod, datorită componentei ionice a curentului de descărcare. Prelucrarea prin electroeroziune necesită asigurarea următoarelor condiŃii:

introducerea directă a energiei electrice la suprafaŃa obiectului de prelucrat;

dozarea temporară în impuls a energiei electrice în spaŃiul de lucru eroziv;

asigurarea unui caracter polarizat al descărcării electrice;

restabilirea continuă a rigidităŃii dielectrice iniŃiale a spaŃiului de lucru

eroziv.

Energia este transmisă obiectului de prelucrat în mod discontinuu sub formă de impulsuri electrice. Pentru ca descărcările să aibă loc separat este necesar ca pauza dintre două impulsuri să fie mai mare decât timpul necesar refacerii rigidităŃii dielectrice a interstiŃiului şi decât durata proceselor tranzitorii determinate de caracterul capacitiv sau inductiv al circuitului de alimentare. Prelevarea de material este însoŃită de fenomenele:

• Fenomene termice Descărcarea energiei prin canalele de ionizare pe vârful microneregularităŃilor electrozilor are ca efect topirea, vaporizarea şi condensarea materialului de la suprafaŃa piesei şi mai puŃin de pe suprafaŃa electrodului-sculă. Starea de agregare a materialului prelevat depinde de parametrii impulsurilor de tensiune aplicate - energie, durată, coeficient de umplere. O parte din materialul prelevat este evacuat din spaŃiul de lucru sub forma produselor de eroziune. Energia impulsurilor de descărcare condiŃionează mărimea particulelor şi tipul operaŃiei - degroşare sau finisare. Evacuarea produselor de eroziune are loc datorită:

o undelor de şoc care apar în momentul descărcării energiei; o fenomenelor de microexplozie a bulelor de gaz ce se formează; o circulaŃiei dielectricului din spaŃiul de lucru eroziv.

• Fenomene mecanice Fenomenele mecanice sunt determinate de existenŃa în piesa de prelucrat a bulelor de gaz care, datorită dilatării termice expulzează particule de material. Totodată, sub acŃiunea forŃelor care însoŃesc descărcările în impuls, materialul prelevat ,sub formă de vapori sau picături, este expulzat în interstiŃiu unde se solidifică sub forma produselor de eroziune care trebuie evacuate.

• Fenomene electrodinamice Câmpul electromagnetic, care apare în timpul descărcării între cei doi electrozi, crează forŃe electrodinamice care acŃionează asupra sarcinilor electrice în mişcare şi a celor aflate pe suprafaŃa electrozilor, având ca efect prelevarea de material.

• Fenomene electrochimice

Capitolul 2 Prelucrarea prin electroeroziune

Temperatura ridicată din canalele de ionizare favorizează apariŃia fenomenului de piroliză sau a fenomenului de dizolvare anodică, dacă dielectricul este apa. Fenomenul de piroliză consumă %16...4≈ din energia impulsului, funcŃie de distanŃa dintre electrozi. Efectele pirolizei sunt [25]:

formarea unui amestec de gaze (60-70% H2, acetilenă 15-20%), parafină, olefine şi oxigen;

formarea unei pelicule subŃire de grafit pe suprafaŃa electrodului sculă, datorită oxigenului care este absorbit de metal şi astfel se reduce uzura sculei. Grosimea peliculei depuse depinde de energia impulsului. Pe durata prelucrării poate avea loc simultan sau decalat, formarea sau distrugerea peliculei ca urmare a proceselor statice şi dinamice din spaŃiul de lucru.

influenŃarea directă a iniŃierii canalelor de ionizare;

2.1.2 InterstiŃiul dintre electrozi InterstiŃiul dintre electrozi este un element al circuitului electric şi influenŃează direct fenomenele care au loc la prelevarea de material prin electroeroziune. #n funcŃie de interstiŃiu se alege tipul generatorului de impulsuri. VariaŃia unor parametri electrici de prelevare depinde direct de generator care trebuie să funcŃioneze independent de mărimea şi calitatea interstiŃiului. Reglajul interstiŃiului se face automat, urmărindu-se menŃinerea constantă a valorii acestuia pentru a se evita scurtcircuitarea electrozilor. Scurtcircuitarea electrozilor conduce la apariŃia unor cratere mari în piesă, ceea ce are ca efect depăşirea toleranŃelor admise şi rebutarea piesei. Mărimea interstiŃiului este corelată cu tipul operaŃiei, de exemplu: la operaŃia de degroşare e necesar un interstiŃiu mare pentru a asigura evacuarea produselor electroerozive în timp ce la operaŃia de finisare e necesar un interstiŃiu mic. 2.1.3 InstalaŃia tehnologică de prelucrare Schema instalaŃiei de prelucrare prin electroeroziune este prezentată în figura 2.2. Principalele elemente componente ale instalaŃiei sunt: generatorul de impulsuri, sistemul de avans al electrodului sculă, ansamblul de electrozi- electrodul sculă şi piesa de prelucrat, dispus în cuva de prelucrare unde se află dielectricul. 2.2. Dielectricul Dielectricul este lichidul în care are loc descărcarea. Tipul dielectricului şi metoda de circulaŃie a acestuia determină valoarea productivităŃii prelucrării prin electroeroziune, măsurată în volumul de material prelevat în unitatea de timp. CirculaŃia dielectricului are ca scop înlăturarea produselor de eroziune pentru:

a se restabili starea iniŃială a interstiŃiului după fiecare descărcare; a reduce fenomenele de scurtcircuitare a electrozilor.

CondiŃii impuse dielectricului:

stabilitate chimică mare faŃă de acŃiunea arcului electric; să-şi păstreze vâscozitatea în timp; să aibă conductivitate termică şi electrică; să aibă punct de inflamabilitate peste 40+C; să se evapore cât mai puŃin, iar vaporii să nu fie nocivi;

ELECTROTEHNOLOGII

să aibă capacitatea de ionizare rapidă; să posede pasivitate chimică în raport cu electrodul sculă sau piesă; să fie uşor de recuperat prin recirculare şi să aibă preŃ de cost redus; Principalele fenomene din dielectric sunt: străpungerea electrică şi piroliza; formarea undei mecanice de şoc şi explozia bulelor de gaz; circulaŃia produselor de eroziune .

Stabilitatea prelucrării se obŃine prin menŃinerea dielectricului la temperatură constantă şi cu un anumit grad de impurificare. La temperaturi mari dielectricul se evaporă şi apar degajări de gaze care au ca efect instabilitatea procesului electroeroziv.

Există patru metode de circulaŃie a dielectricului [25]:

♦ circulaŃia prin injecŃie prin interiorul piesei când aceasta este găurită sau prin interiorul electrodului sculă. Se evită apariŃia descărcărilor laterale întrucât particulele prelevate nu mai circulă de-a lungul pereŃilor laterali ai piesei, ceea ce ar facilita apariŃia fenomenelor de scurtcircuitare;

♦ circulaŃia prin aspiraŃie prin interiorul electrodului sculă obŃinându-se viteze mai mari de prelucrare în comparaŃie cu aspiraŃia prin piesă;

♦ circulaŃia combinată, folosită la prelucrarea cu debite mari de erodare sau prelevare de material, de exemplu la operaŃia de degroşare, caz în care este necesară o spălare a suprafeŃei prelucrate prin combinarea circulaŃiei prin aspiraŃie cu circulaŃia prin injecŃie;piesa va fi pregăurită.

♦ circulaŃia tangenŃială, folosită în cazul când nu este posibilă pregăurirea piesei şi circulaŃia dielectricului se face tangenŃial la suprafaŃa prelucrată.

Alegerea uneia din metode se face în funcŃie de tipul operaŃiei de prelucrare, materialul piesei, caracteristicile regimului electric, faza de prelucrare. Dielectricii utilizaŃi în mod frecvent sunt:

Avans automat electrod

Figura 2.2 Schema de principiu a instalaŃiei de

SA

Pompă pentru circulaŃie

Rezervor

dielectric

InstalaŃie de răcire

Electrod

ăDielectric

Electrod

ă

Recupera

re

R

T

S

+

–

Generator de


•••• Apa deionizată se foloseşte pentru prelucrarea materialelor semiconductoare. Asigură o rugozitate fină ( )mµ3...2 de prelucrare, nu carburează şi nu murdăreşte suprafaŃa prelucrată. #n timpul prelucrării favorizează apariŃia fenomenelor de electroliză şi oxidarea suprefeŃelor. Are preŃ de cost redus.

•••• Petrolul şi uleiul de transformator asigură o prelucrare cu uzură redusă a electrodului datorită peliculei de grafit formată pe suprafaŃa acestuia. Murdăreşte însă suprafeŃele cu cenuşă fin dispersată. Se recomandă, în special pentru degroşare şi finisare. Uleiul de transformator permite o evacuarea bună a produselor de eroziune, fiind însă inflamabil.

•••• Apa industrială este folosită pentru degroşare. Se caracterizează prin fenomene de îmbătrânire rapidă şi corodare datorată proceselor electrochimice

•••• Suspensiile apoase au preŃ de cost redus şi aceleaşi dezavantaje ca şi apa. •••• Alcoolul etilic şi metilic se folosesc pentru prelucrări de precizie, asigurându-

se o rugozitate foarte mică a suprafeŃelor prelucrate. Indicatorii economici ai prelucrării prin electroeroziune sunt:

Productivitatea prelevării de material Vp se exprimă prin volumul de material prelevat în unitatea de timp ămm

3/minş.

Cercetările experimentale [37] au evidenŃiat că productivitatea depinde direct proporŃional cu energia şi frecvenŃa descărcărilor. min]/[ 3mmfWkV pp ⋅⋅= (2.1)

unde W - energia impulsului de descărcare ăJş, f - frecvenŃa impulsurilor, kp - coeficient de prelucrare subunitar. Energia descărcării depinde de tensiunea arcului electric, curentul de descărcare şi durata acestuia şi se exprimă cu formula

2/2UCW ⋅= , unde C - capacitatea spaŃiului de descărcare, U - tensiunea aplicată. Creşterea productivităŃii procesului de prelucrare se poate face prin:

♦ mărirea energiei impulsului de descărcare prin creşterea amplitudinii curentului şi în mod limitat, prin creşterea duratei descărcării;

♦ creşterea frecvenŃei descărcărilor care se aplică în mod limitat, prin reducerea timpului de pauză tp dintre impulsurile de tensiune aplicate spaŃiului de descărcare; timpul de pauză trebuie să asigure durata necesară restabilirii dielectrice a spaŃiului de descărcare;

♦ creşterea factorului de prelucrare kp prin: • modificarea distanŃei de descărcare (spaŃiul dintre electrozi); • creşterea rigidităŃii dielectrice a dielectricului; • intensificarea circulaŃiei dielectricului.

Precizia prelucrării depinde de: ♦ modul de amorsare al descărcării (contact închis sau deschis între electrozi)

şi caracterul acesteia (scânteie sau arc electric); ♦ precizia maşinii de prelucrat, a dispozitivului de fixare a electrozilor; ♦ precizia sistemului de avans automat al electrodului sculă; ♦ modul de alimentare şi calitatea dielectricului.

Calitatea suprafaŃei prelucrate zR este funcŃie de parametrii electrici ai descărcării, respectiv curentul şi tensiunea pe canalul de descărcare, materialul electrodului sculă şi materialul piesei.

Experimental s-au stabilit relaŃiile:

ELECTROTEHNOLOGII

[ ]

⋅⋅=

=

/min][

, ),,(3mmfRkV

miUCfR

zp

z µ (2.2)

Reducerea rugozităŃii înseamnă reducerea debitului de material erodat. #n ceea ce priveşte materialul electrodului sculă, trebuie subliniat că acesta se erodează o dată cu piesa. Pentru a evita uzura mare a electrodului sculă, este importantă alegerea materialului pentru electrod. Aptitudinea unui metal de a fi prelucrat prin electroeroziune sau prelucrabilitatea poate fi caracterizată de proprietăŃile sale termofizice, întrucât procesele termice sunt preponderente în prelevarea de material. Prelucrabilitatea materialelor se apreciază pe baza criteriului lui Palatnik, care se evaluează cu relaŃia [42]: ( ) 2 tc θλρπ ⋅⋅⋅= (2.3)

unde: ρ - resistivitatea materialului ],[ mΩ θt - temperatura de topire ][0 C , λ- conductibilitatea termică ]//[ KmW , c - căldura specifică masică ]//[ KKgJ . Pe baza parametrilor termofizici ai materialului se calculează valoarea criteriului de prelucrabilitate (ππππ), prelucrabilitatea fiind invers proporŃională cu valoarea criteriului (π). Materialul pentru electrozi trebuie să aibă valori mari ale criteriului (π). Vom prezenta câteva din valorile criteriului (π) pentru cele mai uzuale materiale: πAl = 228 · 10 12 , πCu = 1590 · 10 12 , πFe = 512 · 10 12 πWf = 4971 · 10 12 , πgrafit = 2592 · 10 12 , πAg = 939 · 10 12. Se constată că pentru construcŃia electrodului se recomandă cupru, wolfram sau grafit care au valori ridicate ale criteriului (π). 2.3. Generatoare de impulsuri Prelucrarea prin electroeroziune utilizează energia electrică sub formă de impulsuri ai căror parametri condiŃionează precizia şi rugozitatea prelucrării, respectiv productivitatea instalaŃiei. 2.3.1 Clasificarea generatoarelor de impulsuri Generatorul de impuls este elementul de bază al instalaŃiei de prelucrare prin electroeroziune. FuncŃiile principale ale generatorului sunt:

alimentarea procesului tehnologic de prelucrare cu tensiunea necesară; limitarea curentului şi a duratei descărcării; asigurarea duratelor de lucru şi de pauză.

Există două mari variante constructive de generatoare: a) generatoare de relaxare sau de acumulare la care energia se acumulează într-

un condensator şi apoi se descarcă pe spaŃiul de lucru eroziv. b) generatoare fără acumulare

Impulsurile de descărcare obŃinute la generator pot fi: impulsuri unipolare cu pauză, impulsuri unipolare pulsatorii, impulsuri alternative simetrice, impulsuri alternative nesimetrice. Câteva din cele mai importante impulsuri generate sunt prezentate în figura 2.3, unde tI - durata impulsului, tr - durata de relaxare sau de pauză, T -perioada impulsului.


Se defineşte factorul de umplere al impulsului :

11

;ii tq

fT

ft

Tq

⋅=== (2.4)

Criteriile de clasificare a generatoarelor [25] sunt: metoda de generare a impulsului, factorul de umplere, modul de conectare a generatorului la sarcină, schema constructivă de principiu, gama de frecvenŃe etc. #n funcŃie de modul de obŃinere al impulsului există tipurile de generatoare:

generatoare de relaxare; generatoare cu saturaŃie magnetică sau transformatoare saturabile; generatoare mecanice sau chimice;generatoare ionice; generatoare cu tranzistori; generatoare cu tiristori şi generatoare cu diode de control; maşini electrice speciale.

t t

u u

t t

T u u

T

tr ti tr ti

Figura 2.3 Tipuri de impulsuri

de tensiune

t

u T

tr ti t

u T

ti tr

t

u T

tr ti

t

u T

tr ti

ELECTROTEHNOLOGII

2.3.2 Generatoare de relaxare Generatoarele de relaxare sunt generatoare de acumulare a căror funcŃionare se bazează pe încărcarea şi descărcarea repetată a unui condensator. Condensatorul sau acumulatorul de energie, fix sau variabil, este un element neliniar a cărui rezistenŃă de pierderi îşi modifică valoarea la o anumită tensiune. Un alt element neliniar al circuitului este format de ansamblu electrozi piesă - sculă şi interstiŃiul de lucru eroziv. 2.3.2.1.Generatoare de tipul RC

Schema electrică de principiu este prezentată în figura 2.5. Generatoarele se realizează cu valoare constantă a tensiunii U. Tensiunea de încărcare a condensatorului şi curentul de descărcare se exprimă cu relaŃiile cunoscute :

( )ct

c eUtuτ/1)( −−= te

L

uUti tai ⋅⋅⋅

⋅

−= −

1

11

sin)( ωω

δ (2. 5)

t

U

Imax

ti td

Ui

Ua

i

t

u

Figura 2.5 Generator tip

P

R

ES

h U C

≈

=


unde: Ui - valoarea tensiunii de iniŃiere a descărcării arcului electric în spaŃiul dintre electrozi; ti - timp de iniŃiere a descărcării sau de acumulare a energiei necesare procesului eroziv, td - timp de descărcare, id tt << , ua - tensiunea pe arcul electric,

aprox. 20- 30V, ω1 - pulsaŃia reală a circuitului: 2201 δωω −= , LR 2/=δ -factorul de

amortizare, ω0 - pulsaŃia ideală a unui circuit ideal LC: LC/10 =ω ; πω 2/11 =f -

frecvenŃa impulsurilor de curent, RCc =τ constanta de timp a procesului tranzitoriu de

încărcare. Valoarea primului maxim al curentului este dată de expresia [42] ,

( )1

maxL

CuUi ai ⋅−= (2.6)

expresie din care se constată că variaŃia valorii capacităŃii C permite reglarea valorii maxime a curentului de descărcare. Uzură pronunŃată a electrodului sculă are loc datorită schimbării polarităŃii, prin prezenŃa semialternanŃelor negative. Durata încărcării condensatorului este influenŃată de valoarea rezistenŃei R şi tensiunii de amorsare iU şi se determină din condiŃia: ii Utu =)( . Rezultă expresia:

i

iUU

URCt

−= ln (2.7)

Prelevarea de material în urma descărcării pe interstiŃiul de lucru h are loc ca urmare a faptului că puterea electrică dezvoltată pe durata descărcării este mult mai mare decât puterea sursei de alimentare, în condiŃiile în care energia sursei este constantă. Procesul eroziv măreşte interstiŃiul h ceea ce conduce la creşterea tensiunii

iU care trebuie menŃinută constantă. De aici apare necesitatea unui avans automat

continuu al electrodului sculă, încât h ≈ constant. VariaŃii ale frecvenŃei, duratei şi amplitudinii impulsului apar datorită stării interstiŃiului. Valorile R, C şi iU se stabilesc

în funcŃie de materialul prelucrat, precizia prelucrării, rugozitatea şi productivitatea procesului eroziv. Randamentul prelucrării scade datorită pierderilor de energie electrică pe rezistenŃele din circuit. Generatorul tip RC se caracterizează prin simplitate constructivă, prezentând însă următoarele dezavantaje [25], [42]:

♦ durata de încărcare it are posibilităŃi reduse de reglaj;

♦ durata de descărcare td este constantă, la o valoare dată a capacităŃii C:

CLt

CL

f

Tt dd 1

1

00

0

1

22

1

2

1

2π

π

πω

=⇒=⋅

=== (2.8)

♦ valoarea maximă a curentului depinde de valoarea iU care e determinată de

rigiditatea dielectrică, mărimea şi starea fizică a interstiŃiului de lucru; în consecinŃă, pentru o valoare constantă h, descărcarea are un caracter aleator şi se obŃin valori diferite ale amplitudinii impulsurilor de curent. #n aceste condiŃii rugozitatea de prelucrare este mare şi calitatea prelucrării redusă;

ELECTROTEHNOLOGII

♦ di tt >> , it este un timp mort pentru prelucrare, deci productivitate scăzută;

♦ sursa nu e utilizată eficient întrucât UU i ⋅= )75,0...5,0( .

2.3.2.2. Generatoare tip RLC Schema electrică de principiu este prezentată în figura 2.6. Inductivitatea L din circuitul de încărcare permite eliminarea dezavantajelor generatorului tip RC, mărindu-se viteza de creştere a tensiunii de încărcare a condensatorului,C care variază conform cu relaŃia:

−−= − tteUtu t

c 11

1 sincos1)( ωωδ

ωδ (2.9)

VariaŃia în timp aproximativ liniară a frontului undei de tensiune are ca efect o diminuare a timpului de încărcare a condensatorului de lucru C. Mărimea şi starea fizică a interstiŃiului de lucru determină o dispersie a valorilor tensiunii de iniŃiere a descărcării iU şi a valorii maxime a curentului de descărcare.

Valoarea energiei acumulată în condensatorul de lucru este:

2

2i

i

CUW = (2.10)

Randamentul circuitului de încărcare se apreciază cu formula [25]:

P

ES

h

R

U ≈

= C

L

+

–

Figura 2.6 Generator tip RLC- schema de principiu, forma undelor de tensiune şi curent

u

td ti

i

Imax

Ui

Ud

t

t


U

U i

ic 2. =η (2.11)

La generatorul tip RC, unde tensiunea de încărcare are o variaŃie exponenŃială, şi tensiunea UU i ⋅÷≅ )8,075,0( rezultă randamentul 37.0≅ciη , iar la generatorul tip

RLC, dacă UU i = , rezultă 5,0=ciη . Valoarea randamentului circuitului de încărcare

este o mărime semnificativă a eficienŃei acestuia. Pentru un generator tip RLC în regim de autooscilaŃie, când Uuc ⋅≅ 2max rezultă 1≅ciη .

2.3.2.3 Generatorul RLCD Schema electrică de principiu este prezentată în figura 2.7. Dioda are rolul de a limita tensiunea de încărcare a condensatorului C la valoarea U. Se evită valorile mai mari ale curenŃilor de descărcare, se menŃine constantă rugozitatea suprafeŃei prelucrate, dar scade productivitatea. #ntrucât UU i = rezultă 5,0=η ,

valoare acceptabilă Ńinând seama de avantajele prelucrării cu rugozitate uniformă.

P

ES

h

R

U =

C

L

+

–

D

≈

u

td ti

i

Imax

Ui

Ua

t

t

Figura 2.7 Generator tip RLCD- schema de principiu, forma undelor de tensiune şi curent

ELECTROTEHNOLOGII

2.3.2.4. Generatorul LC

Schema electrică de principiu este prezentată în figura 2.8. #n circuitul de încărcare se introduce o bobină vibratorie M. Valoarea redusă a rezistenŃei circuitului de încărcare are ca efect creşterea randamentului şi reducerea supratensiunilor ce ar putea distruge electrodul. Elementul vibrator produce oscilaŃia electrodului sculă pe direcŃia de avans, astfel că frecvenŃa, amplitudinea şi durata impulsurilor depind nu numai de parametrii circuitului de încărcare-descărcare ci şi de caracteristicile oscilaŃiilor mecanice ale electrodului sculă pe direcŃia de avans. Stabilitatea procesului de generare a impulsurilor se obŃine la rezonanŃă, când frecvenŃa oscilaŃiilor electrice e egală cu frevenŃa oscilaŃiilor mecanice. 2.3.2.5 Generatoare tip CC Schema electrică de principiu este prezentată în figura 2.9. Condensatorul C din circuitul de descărcare are o valoare mică, ceea ce permite ca într-o semiperioadă să aibă loc câteva descărcări în interstiŃiul h. Randamentul circuitului de încărcare mai mic decât la generatoarele LC. Impulsurile de descărcare sunt simetrice, ceea ce are drept consecinŃă creşterea uzurii electrodului sculă.

2.3.2.6. Generatoare tip RLCL Schema de principiu este prezentată în figura 2.10.

Figura 2.9 Generator tip RLC- schema de principiu

h

P

ES

U C

=

≈

C1

Figura 2.8 Generator tip LC-

h

P

ES

M

U

C

L

=

≈


InductanŃa L1 cu rol de inductanŃă vibratorie permite creşterea tensiunii de lucru la începutul descărcării. InductanŃa L2 din circuitul de descărcare măreşte durata impulsului, reduce amplitudinea curentului de descărcare şi prin urmare creşte cantitatea de material prelevat şi controlează uzura sculelor. Aceste generatoare sunt recomandate pentru prelucrarea pe mai multe posturi de lucru simultan.

2.3.2.7. Generatoare RLCR Schema de principiu este prezentată în figura 2.11. Descărcarea condensatorului

va fi aperiodică şi unipolară prin alegerea corespunzătoare a valorii rezistenŃei R2 şi a rezistenŃei conexiunilor circuitului de descărcare. Condensatorul C are o valoare ridicată, obŃinându-se impulsuri aperiodice de durată mai mare şi intensitate mică. Regimul termic este preponderent la electrodul sculă şi prin urmare se va lucra cu polaritate inversă, adică electrodul piesă conectat la (-) iar electrodul sculă la (+). RezistenŃa din circuitul de descărcare introduce pierderi mari, reduce randamentul şi reduce cantitatea de material prelevat .O valoare mare a capacităŃii ar reduce frecvenŃa impulsurilor, cu efecte negative asupra rugozităŃii. Uzura electrozilor este mică.

2.3.3. Generatoare electromagnetice de impulsuri unipolare Impulsurile periodice de curent cu valori mari se obŃin şi cu dispozitive statice cu transformatoare monofazate la frecvenŃa industrială 50 Hz. Generatoare de frecvenŃă industrială

Figura 2.10 Generator tip RLCL

h

P

ES

U C

=

≈

L1 L2 R

Figura 2.11 Generator tip RLCR- schema de principiu

h

P

ES

U C

=

≈

R1 R2 L

D

P

ES

h

T

Figura 2.12 Generator de frecvenŃă industrială

ELECTROTEHNOLOGII

Se realizează cu diode semiconductoare pentru redresarea unei semialternaŃe, figura 2.12 sau cu modularea a două semialternanŃe, caz în care se pot alimenta două posturi de lucru separat, succesiv şi independent. Diodele trebuie să aibă stabilitate termică la scurtcircuitele ce pot avea loc la contactul electrozilor sau prin particule de eroziune. Generatoare de impulsuri unipolare cu saturaŃie. Impulsurile de tensiune necesare prelucrării se obŃin prin transformarea tensiunii sinusoidale cu ajutorul unor rezistenŃe neliniare, transformormatoare saturabile sau amplificatoare magnetice.

2.3.4. Electromaşini de impulsuri periodice

• generatoare unipolare de inducŃie, care furnizează impulsuri unipolare de tensiune prin modelarea câmpului magnetic statoric;

• generatoare sincrone şi de inducŃie care transformă impulsurile periodice în impulsuri unipolare cu ajutorul unor diode montate în exteriorul maşinii,figura 2.13 .

2.3.5. Generatoare cu tiristoare comandate Schema de principiu este prezentată în figura 2.14.

Figura 2.13 Electroma]ini de impulsuri periodice- schema de principiu

P

ES

h

D

~

P

ES

h

D

~

Figura 2.14 Generatoare cu tiristoare comandate

R

P

ES

h

T1

T4

T2

T5

T3

T6

S T


2.4. Reglajul automat al interstiŃiului de lucru

Stabilitatea procesului de prelucrare este condiŃionată de păstrarea valorii constante a interstiŃiului de lucru h , cu ajutorul sistemului de reglaj automat SRA[42]. Schema bloc a sistemului automat este prezentată în figura 2.15.

unde: T- traductor, C - comparator, A - amplificator, SLE- spaŃiu de lucru eroziv.

Valorea curentă a interstiŃiului de lucru h este convertită cu ajutorul traductorului T într-o mărime adecvată reglajului, influenŃată direct de starea intersiŃiului şi anume:

valoarea medie a tensiunii în interstiŃiu; valoarea medie a curentului de descărcare; valoarea medie a frecvenŃei impulsurilor.

Dacă mărimea convertită este valoarea medie a tensiunii în interstiŃiu medU , aceasta se

compară cu tensiunea de referinŃă refU şi, în funcŃie de rezultatele comparării, se

• comandă elementul de execuŃie al sistemului de avans automat SRA, prin intermediul amplificatorului A, până când medref UU = .

T SLE

SRA

A

Uref Umed

C

Figura 2.15 Schema bloc a sistemului automat de avans electrod

Figura 2.16 Explicativă la calculul valorii medii a tensiunii

t

u

tp td ti td ti’ ti ti tp td

U

U

U

O

M

A A AN P

Q

M

N P

Q

M

N P

QUmed UmedUmed

t

u

tp td ti td ti ti tp td

U

U

O

M

A A A

N

P Q

M N

P Q

M N

P Q

Umed UmedUmedR R R

ELECTROTEHNOLOGII

Următoarele situaŃii pot apărea:

• medref UU < , interstiŃiul e mai mic şi se comandă ridicarea ES;

• medref UU > , interstiŃiul e mai mare şi se comandă coborârea ES;

• 0=medU există scurtcircuit şi se comandă ridicarea ES.

Să considerăm impulsurile de tensiune de la generatorul RLCD, [35], care ne vor permite să evaluăm valoarea medie a tensiunii, figura 2.16. Valoarea medie a tensiunii se calculează cu formula cunoscută :

∫ ⋅==T

AT

dttuT

U0

1)(

1 (2.12)

şi evaluând integrala cu valoarea ariei de sub graficul impulsurilor de tensiune rezultă, pentru primul impuls de tensiune din figura 2.16 :

T

AUtU

tU

TU medda

iimed

111 2

1=⇒

⋅+

⋅= (2.13)

#n timpul prelucrării interstiŃiul creşte, descărcările se amorsează după un timp mai mare, caz corespunzător celui de-al doilea impuls din figură, şi prin urmare:

122

2'

2 ;2

1AA

T

AUtUtU

tU

TU meddaii

iimed >=⇒

⋅+⋅+

⋅= (2.14)

Dacă valoarea interstiŃiului scade, iniŃierea descărcării are loc la o tensiune mai mică '

iU , corespunzător celui de-al treilea impuls şi rezultă:

13233

'

3 ; ;1

2AAAA

T

A

TUt

tUU ad

iimed <<=⋅

⋅+

⋅= (2.15)

RelaŃiile evidenŃiază influenŃa timpului de iniŃiere a descărcării tI şi a tensiunii iU

asupra valorii medii a tensiunii, mărimi dependente de valoarea interstiŃiului. Valorile normale de lucru ale interstiŃiului depind de dielectric, tipul generatorului şi regimul de prelucrare. De exemplu pentru operaŃiile de degroşare se folosesc valori de (80÷100)µm, iar pentru finisare de (10÷15)µm. Sistemul de reglaj automat trebuie să asigure o mişcarea lentă a electrodului, fără şocuri mecanice, în care scop se folosesc servomotoare de curent continuu, iar la maşinile de prelucrare prin electroeroziune de puteri mari şi medii, acŃionarea se realizează cu piston hidraulic cu sistem cu dublu efect. 2.5 Prelucrarea prin electroeroziune în câmp magnetic Creşterea productivităŃii procesului de prelucrare precum şi reducerea preŃului de cost al electrodului sculă sunt posibile de realizat prin suprapunerea unui câmp

magnetic în spaŃiul eroziv [34]. Câmpul magnetic va avea liniile de câmp perpendiculare pe frontul eroziunii, suprapus peste procesul eroziv din interstiŃiul de lucru format din electrodul sculă şi electrodul piesă.


Există diferite variante de suprapunere a câmpului magnetic, prin intermediul unor electromagneŃi sau al unor magneŃi permanenŃi [34]:

♦ Montarea bobinei sau a magnetului permanent pe electrodul sculă realizat din material feromagnetic, pentru influenŃarea interstiŃiului frontal,figura 2.17.

♦ Montarea în jurul electrodului piesă sau în interiorul acestuia, electrodul sculă fiind din material feromagnetic, figura 2.18 a,b.

♦ Montarea pe dispozitivul portelectrod, electrodul sculă fiind din material feromagnetic, figura 2.19.

♦ Montarea electromagnetului sau a magnetului permanent pentru influenŃarea

interstiŃiului frontal, în interiorul electrodului sculă executat din materiale para sau diamagnetice (în cazul bobinei cu miez) şi din materiale feromagnetice (în cazul bobinei fără miez), figura 2.19.

Figura 2.17 Dispunerea bobinei sau magnetului permanent pe electrodul sculă

electrod

ă

electrod

ă

electromagnet

magnet permanent

S N

S N

Figura 2.18 Dispunerea bobinei sau magnetului permanent pe electrodul piesă

electrod

electrod

ă

electromagne

t

a b

ELECTROTEHNOLOGII

♦ Montarea câte unei bobine sau magnet permanent pe electrodul sculă executat din material para sau diamegnetic şi pe electrodul piesă, figura 2.20

Printr-o variaŃie corespunzătoare a intensităŃii câmpului magnetic sau a direcŃiei liniilor de câmp se poate utiliza acelaşi electrod sculă atât la operaŃiile de degroşare cât şi la finisare. Deasemenea, aplicarea câmpului magnetic exterior determină o reducere a tensiunii de amorsare a descărcărilor electrice între electrodul sculă şi piesă.

electrod

electrod

electromagn

portelectro

Figura 2.19 Dispunerea bobinei sau magnetului permanent în interiorul electrodului sculă

Figura 2.20 Dispunerea bobinei sau magnetului permanent pe electrodul sculă şi pe piesă

electrod

electrod

electromagn


MotivaŃiile privind influenŃa favorabilă a câmpului magnetic exterior sunt: mărirea interstiŃiului, cu efecte pozitive asupra evacuării produselor de eroziune; orientarea produselor de eroziune de către liniile de câmp, realizându-se un traseu avantajos al descărcării electrice prin impuls; creşterea coeficientului de eficienŃă, definit ca raportul dintre numărul impulsurilor active care prelevează material şi numărul total de impulsuri, pentru o valoare mică a solenaŃiei de magnetizare. posibilitatea de corecŃie a traiectoriei descărcărilor electrice din interstiŃiu cu ajutorul câmpurilor magnetice cu linii de câmp perpendiculare pe acesta.

Intensificarea procesului eroziv se realizează şi prin introducerea în lichidul dielectric a unor particule feromagnetice, favorizând formarea punŃilor de descărcare. O altă metodă ar fi suprapunerea unor câmpuri alternative a căror frecvenŃă va fi de ordinul de mărime al frecvenŃei impulsurilor de lucru, cu menŃinerea unui defazaj între impulsul electric exterior şi cel magnetic. Varianta optimă de alimentare a bobinelor plasate pe electrodul piesă sau pe electrdul sculă este cea pentru care sensul liniilor de câmp pentru ambele bobine sunt orientate către piesă. Se poate concluziona că prin aplicarea câmpurilor magnetice exterioare devine posibilă modificarea unor mărimi ce influenŃează procesul eroziv din interstiŃiul de lucru: mărirea interstiŃiului şi a coeficientului de eficienŃă. Rezultate favorabile se obŃin prin câmpuri magnetice obŃinute cu ajutorul bobinelor plasate pe electrodul sculă şi pe electrodul piesă, cu circuit magnetic închis prin partea mecanică a maşinii, alimentae astfel încât să rezulte pentru ambele bobine, linii de câmp orientate spre electrodul piesă. 2.6. Electroeroziunea cu fir Figura 2.21

h

df

pies

ă

vp

electrod h

vf

ELECTROTEHNOLOGII

Electrodul sculă este un fir de sârmă calibrat, din cupru sau molibden, cu diametre foarte mici ( )3,0...02,0 mm şi cu lungime foarte mare , ( )12000...7000 m întins între două role de ghidare. Firul se derulează continuu cu o viteză constantă, figura 2.21, cu posibilitatea de a schimba sensul, pentru contiuarea procesului de eroziune. Firul trebuie să realizeze o debitare simplă sau cu profil complex a

semifabricatului. Debitarea se poate realiza prin urmărirea unui şablon, caz în care precizia nu este prea ridicată, sau pe maşini cu comandă numerică. #n spaŃiul de lucru eroziv fir- piesă apar solicitări mecanice, datorate bulelor de gaz care apar la prelucrare şi solicitări electrice produse de forŃele electrice de atracŃie datorate condensatorului format de fir cu piesa. Dielectricul folosit este apa, care se injectează sub presiune în interstiŃiul de lucru care este foarte îngust, pentru evacuarea produselor de eroziune. Dezavantajul este că facilitează apariŃia electrolizei,

degajarea de hidrogen şi oxigen, gaze care în amestec pot produce explozii ce au ca efect ruperea firului sau deplasarea piesei. Pentru evitarea electrolizei se recomandă utilizarea de generatoare la care tensiunea medie de ieşire este nulă. La tăierea prin electroeroziune cu fir este necesară păstrarea constantă a distanŃei h dintre fir şi piesă ce se prelucrează. Există maşini de tăiat cu fir după şablon, adică se urmăreşte conturul unui şablon prelucrat cu mare precizie şi care are forma piesei ce urmează a se prelucra. Urmărirea conturului şablonului se poate face direct, adică electrodul sculă urmăreşte conturul şablonului sau indirect când conturul şablonului este urmărit de un palpator care transmite mişcarea dispozitivului de prindere al piesei, printr-un sistem tip pantograf. La prelucrarea unor piese cu contururi foarte complicate se folosesc maşinile de tăiat cu fir prin electroeroziune cu comandă program:

manual, caz în care conturul piesei se împarte în porŃiuni simple: arce de cerc, segmente de dreaptă, arce de elipsă etc. ale căror coordonate determinate de către operator se înscriu pe o bandă perforată standardizată; asistată de un calculator care utilizează programe specializate [25], [37].

Deplasarea maşinii de prelucrat în coordonate bidimensionale este comandată de motoare pas cu pas. Precizia ridicată a prelucrării este asigurată de dispozitive de calibrare a firului (filiere de diamant) 2.7 AplicaŃii tehnice

Figura 2.22

role de derulare

borne de contact

ghidaje din safir

electrodul fir

vp

electrodul piesă

vf

+

–

–


Procesarea tehnologică a pieselor prin electroeroziune are avantajul că

electrodul-sculă şi piesa nu sunt în contact, fapt pentru care nu se transmit presiuni pe

suprafaŃa piesei şi prin urmare nu se creează presiuni interne.

În construcŃia de maşini unelte, pompe, compresoare, turbine etc. metalele şi aliajele dure şi extradure au o pondere însemnată. Prelucrarea prin electroeroziune este în general utilizată numai la prelucrarea acestor materiale, în condiŃii speciale putând fi prelucrate pe adâncimi mici şi alte materiale care nu sunt bune conductoare de electricitate. Utilizarea acestui procedeu la prelucrarea oŃelurilor speciale şi a carburilor metalice, folosite la execuŃia sculelor (care prin procedeele clasice nu puteau fi prelucrate decât prin rectificare sau cu scule de diamant), s-a impus datorită unei eficienŃe economice ridicate. Se pot prelucra deasemenea şi alte piese cum ar fi bucşe, lagăre sau tampoane, care prelucrate cu metode clasice ca presarea şi sinterizarea îşi pot pierde precizia dimensională şi de formă, necesitând astfel prelucrări suplimentare care să le asigure precizia dimensională şi de formă şi rugozitatea.

Prin electroeroziune se pot realiza operaŃiile: găurirea simplă şi profilată, tăierea sau debitarea materialelor dure şi extradure, rectificarea interioară şi exterioară, prelucrarea canalelor şi fantelor, prelucrarea matriŃelor şi ştanŃelor etc. Prelucrarea prin electroeroziune este folosită intensiv la ascuŃirea şi durificarea sculelor, în general cu forme geometrice complexe, precizie şi rugozităŃi impuse. #n cazul în care la prelucrarea clasică prin găurire, polizare, rectificare, strunjire, frezare se folosesc scule din materiale greu prelucrabile cum ar fi: molibden, tantal, oŃeluri refractare, anticorozive, inoxidabile, carburi metalice, mase plastice, pentru economisirea de material se recomandă durificarea sculelor prin depunerea unui strat de material dur prin electroeroziune. Durificarea se face cu metale ca molibden, tantal sau aliaje: castelit, sormaid [25]. Procedeele tehnologice de ştanŃare la cald sau la rece, matriŃare, turnare sub presiune sau în cochile, necesită ştanŃe şi matriŃe destinate a asigura pieselor dimesiunea şi forma, rugozitatea fină şi adausuri de prelucrare mici. FuncŃie de tipul materialului stanŃelor, cochilelor sau matriŃelor, pentru prelucrarea lor se recomanda electroeroziunea. Un alt domeniu de aplicare al electroeroziuniii este extragerea sculelor rupte la operaŃiile de filetare , alezare, găurire. În general prin electroeroziune pot fi prelucrate toate materialele bune conductoare de electricitate, fie că sunt moi, dure sau extradure. Duritatea materialului are o mică influenŃă asupra regimului electric de prelucrare. #n anumite condiŃii pot fi prelucrate şi materiale neconductoare de electricitate. SuprafeŃele din oŃel prelucrate prin electroeroziune sunt mate, de aceea e necesară lustruirea mecanică pentru obŃinerea luciului metalic. Se prelucrează deasemenea fonta albă sau fonta aliată.

55533650-electroeroziune

Documents