Huzalszikra forgácsolás: a dielektrikum állapotának és a vágási sebességnek a kapcsolata

A BME Gyártástudomány és -technológia Tanszékén született az a diplomamunka, melynek rövid összefoglalójával jelentkezünk. Úgy gondoljuk, széles érdeklődésre tarthat számot ez a kutatómunka, még akkor is, ha a gyártástechnológia nagyon kis szegletével foglalkozik, mivel nagyon élet közeli tapasztalatokat ismerhetünk meg belőle. A diplomamunka szerzője Ruska Ákos, okleveles gépészmérnök, konzulense dr. Markos Sándor, a BME Gyártástudomány és -technológia Tanszék adjunktusa.

Az elektromos szikra eróziós hatásán alapuló megmunkálási módok technológiája (Electric Discharge Machining – EDM) dinamikusan fejlődik az 1950-es évektől kezdve, és jelenleg is növekszik az igény ezen megmunkálási eljárások iránt. A technológia kifejlesztésének korai szakaszában hazánk mérnökei szép teljesítményt értek el az 1958-as brüsszeli Világkiállításon az Erosimat nevű szikraforgácsoló szerszámgéppel.

A diplomaterv témája a huzalszikra forgácsolás hatékonyságának vizsgálata volt, amely kutatási témához a helyszínt a Gravitás 2000 kft. biztosította. A jelentős, 14 Sodick gépből álló géppark kiváló lehetőséget biztosított az adatgyűjtéshez és a vizsgálatok elvégzéséhez.

A huzalos EDM vágás folyamatát számos tényező befolyásolja, és ezen tényezők hatásai nehezen definiálhatóak. Ebből a szempontból nehezebb dolgunk van, mint egy hagyományos forgácsolási folyamat vizsgálatánál.

1. ábra Gravitás 2000 Kft. huzalszikra csarnok

1. ábra – Gravitás 2000 Kft. huzalszikra csarnok

A hatékonysági vizsgálataim egyik fő témája a vágási sebesség és a víz állapota közti kapcsolat meghatározása volt. Az eddigi feltételezés az volt, hogy jobb dielektrikum állapot mellett a vágási sebesség is nagyobb lesz. Ugyanis megmunkálás során a munkaközeg, azaz a dielektrikum, folyamatosan szennyeződik.

2 féle szennyeződési forma lép fel, fizikai és kémiai szennyezés. Fizikai szennyezést okoz a leválasztott, újra megszilárdult „forgács”, míg a kémiai szennyezést a vízbe kerülő oldott fémsók jelentik. A dielektrikum iontartalma nő, fajlagos vezetőképessége növekszik. A fizikai szennyeződéseket szűrőberendezésekkel, a kémiai szennyeződést ionmentesítő rendszerrel távolítjuk el a munkaközegből. Lényegében ioncserét végzünk a tartályokban, amiken keresztül keringetjük a dielektrikumot. A tartályban lévő ionmentesítő gyanta megköti az ionokat, helyükre H+ és OH- ionokat juttat a vízbe.

2. ábra - Gyantatartály felépítése

2. ábra – Gyantatartály felépítése

A gyantarendszer segítségével próbáljuk a dielektrikum fajlagos vezetőképességét minél magasabban tartani. A gyártó 50kΩcm-es értéket ajánl (Sodick – AG SERIES, Machining Condition Table (mm). A valóságban alacsonyabb értékek tarthatóak fenn volfrám vágása mellett. A gyantatartályok igénybevételtől függően kimerülnek, ilyenkor cserélni kell őket. Az élettartam a megmunkálási feladat függvényében változik.

12 szerszámgép viselkedését vizsgáltam egyidejűleg. A vizsgált gépek volfrám tömböket „szeleteltek”, egy telibe vágással, simító vágás nélkül. A vágási sebesség nem konstans, ezért minden mérési ponton átlagsebességet mértem (30mp alatt megtett útból számoltam minden mérési ponton). A gyantatartályok élettartama nagyon változó, általában 15-25 óra. Összesen 248 mérési pont alapján, mind a 12 gépen az ábrákon látható tendencia körvonalazódott.

12-es_gep

19-es_gep

Nem várt módon, a dielektrikum állapota nem befolyásolja a vágás sebességét a vizsgált határok között. Ez alapján felmerül a kérdés, hogy akkor hol van az a határ a vezetőképességben, ahol már a víz állapota hátráltatja a megmunkálási folyamatot?

Ennek kiderítésének érdekében folytattam a vizsgálatot egy kiválasztott gépen, ahol lekapcsoltuk a gyantarendszert, és hagytuk a munkaközeg állapotát addig romlani, míg szakadás nem történt.

13-as_gep

A 10kΩcm-es érték alatti mérési pontok eredménye már elmarad a normál állapotokban mért sebességek átlagától. De a legalacsonyabb mért érték is a normál állapotban mért átlag 81%-a. A vizsgálat végét a 6 kΩcm-es érték mellett bekövetkezett szakadás jelentette. Ez az érték már rettentő alacsony, amit jól érzékeltet, hogy a csapvíz fajlagos ellenállás értéke körülbelül 5 kΩcm.

Azt a kísérletet megismételtem egy későbbi időpontban, amikor is, már 8 kΩcm-en bekövetkezett a szakadás. Ekkor viszont mérési pontonként a feszültségi értékek alakulását is rögzítettem egy digitális oszcilloszkóppal. A mérési elrendezésből adódóan negatív feszültségeket mértem.

3. ábra - 14kΩcm mellett rögzített jelalak

3. ábra – 14kΩcm mellett rögzített jelalak

4. ábra - 15 tízezred mp alatti feszültségváltozás

4. ábra – 15 tízezred mp alatti feszültségváltozás

Az elméleti jelalaktól jelentősen eltér a valós jelalak, csak helyenként fedezhető fel 1-1 szikrakisülés szabályos lefutása. A feszültségi értékek rögzítésekor bíztam abban, hogy beazonosítható lesz a vízállapot romlásának hatása a jelalakon. A romló körülmények azt okozzák, hogy egyre kisebb potenciálkülönbségek mellett történik a szikrakisülés késleltetése. 64V-ról lecsökken ez az érték egészen 50V-ra. Ez a csökkenés annak ellenére bekövetkezik, hogy a beállítható technológiai paramétereket nem változtatjuk, a vezérlés a saját logikája szerint alkalmazkodik a körülményekhez.

Ezen tendencia rögzítésénél talán még jelentősebb eredmény, hogy sikerült a szakadás bekövetkezésére utaló jelalakokat is rögzíteni. Ezáltal a szakadás előre jelezhetővé vált ilyen körülmények között. Közvetlen szakadás előtt nagy mértékű, ~200V-os potenciálkülönbségek is kialakulnak egy-egy pillanatra, egyre sűrűbben. Ezek a kiugró értékek már korábban is megjelennek, de kisebb az értékük, és ritkábbak. Szakadás előtt 10-15mp-cel nőnek meg ugrásszerűen, 80-90V-ról 200V-ra.

5. ábra - A dielektrikum fajlagos ellenállása: 14kΩcm

5. ábra – A dielektrikum fajlagos ellenállása: 14kΩcm

6. ábra - A dielektrikum fajlagos ellenállása: 9kΩcm.

6. ábra – A dielektrikum fajlagos ellenállása: 9kΩcm.

7. ábra - A dielektrikum fajlagos ellenállása: 8kΩcm, szakadást megelőző pillanat

7. ábra – A dielektrikum fajlagos ellenállása: 8kΩcm, szakadást megelőző pillanat

Továbbá egy érdekes felvétel egy sarokmegmunkálásról, ahol általában több mp-es várakozást programoznak.

8. ábra - Sarok kimunkálása

8. ábra – Sarok kimunkálása

A huzal ekkor is végez megmunkálást, egészen addig, míg teljesen ki nem egyenesedik. Látható, hogy az anyagleválasztás ekkor nagyon lelassul.

A dielektrikum állapotának változását mutatja az utolsó ábra, a gyantatartályok cseréjével együtt. Annak ellenére, hogy a megmunkálási feladat nem változik, a használt gyanta mennyisége megegyezik, a gépek állapota elhanyagolható mértékben változik, mégis azt látjuk, hogy a tartályok élettartama változó. Ezen a 150 órás vizsgálati időn felül, a gépkezelők több éves tapasztalata is ezt bizonyítja.

9. ábra - 150 órás megfigyelés

9. ábra – 150 órás megfigyelés

Diplomamunkámban foglalkoztam továbbá a vágási folyamat jellemzőivel, a beállítható paraméterekkel, valamin a huzalok típusaival, felépítésükkel és a költségek és megmunkálási idők számításával.

Végezetül. A huzalos szikraforgácsolás folyamata számos kutatás témájául szolgálhat. Sok esetben csak tapasztalati tudás van a birtokunkban, a „miért?”-ekre még keressük a választ. Remélem sokak számára hasznos, és érdekes információkkal tudtam szolgálni.

írta: Ruska Ákos
okleveles gépészmérnök