Get Adobe Flash player

A szikraforgácsolás rövid történelmi áttekintése

1889-ben Benjamin Chew Tilghman Philadelphiában szabadalmaztatott egy eljárás  “Cutting Metal By Electricity” néven (szabadalom szám: 416,873). Habár Tilghman megteremtette az EDM koncepcióját, a szikra-eróziós eljárást az I. és II. Világháború között törött fúrók és csapok eltávolítására használták.

Az Elektronikai Ipar Minisztériumának Műszaki Intézetében (korábbi Szovjetunió) dolgozó orosz tudós házaspár, Borisz Romanovics Lazarenko és Natalia Jozafovna Lazarenko 1943-ban publikálta az első kutatási eredményeket az anyagleválasztás szabályozott folyamatának nem fémes alternatívájáról. Munkájukat egy fiatal egyetemi hallgató, Zolotics B. támogatta. A „Fémkopás irányának megfordítása és módszerek az elektromos elektródák tönkremenetelének megakadályozására” (Moszkva, WIE Intézet, 1943) című munka biztosította az alapjait annak az eljárásnak, amelynél a szabályozott elektromos szikrák által létrehozott termikus energiát használjuk az anyag felolvasztásához és elpárologtatásához. A szikraforgácsolási eljárás (electrical discharge machining, EDM) ezzel megszületett. A történelem során először nyílt lehetőség arra, hogy az alkatrészeket azok mechanikai tulajdonságaitól (keménység, nyújthatóság, dörzsölési hatás) függetlenül munkálhassuk meg.

gal1

Lazarenko házaspár

A szikraforgácsoló gépek igazi története 1952-ben kezdődött, amikor az orosz tudós, Nikolasz Mironov, aki kapcsolatban állt a Lazarenko házaspárral, meggyőzte a genfi Ateliers des Charmilles ügyvezetését arról, hogy fejlesszenek szerszámgépeket az EDM- eljárás kihasználására.

Egy kis csapat a lelkes mérnök, Jean Pfau vezetésével megépített Genfben egy szikraforgácsoló berendezést (ELERODA D1), amit 1955-ben a milánói nemzetközi gépipari kiállításon mutattak be. Ugyanebben az időben alapították az Agie vállalatot (1954. április 16.), amelynek első berendezése az AGIETRON AZ4 volt, amit a Z- tengelyen pneumatikus szervóhajtással szereltek fel. Az első huzalos szikraforgácsoló berendezést a svájci AGIE építette 1969-ben.

Napjainkban a szikraforgácsolás kulcstechnológiának számít a nagy teljesítményű formák vagy présszerszámok gyártásánál, melyeket műanyagok, üveg- és fémalkatrészek gyártásához használnak, valamint az összetett precíziós alkatrészek közvetlen gyártásánál. Az eljárást manapság majdnem az összes iparág alkalmazza, kezdve az autóipartól, az elektronikai, mechatronikai és háztartási készülékek gyártásán keresztül a repülőgépiparig és űrhajózásig.

Alapok

Mi a szikraforgácsolás? Egy szabályozott módon létrejött szikra átugrik az egyik fémes felületről a másikra, miközben számos kis kráter keletkezik, és ez okozza az anyagleválasztást. A nagy hő, amit a szikra kisülése okoz, megolvasztja és elpárologtatja az anyagot, így hozva létre a szikraforgácsolásra oly jellemző mikrokrátereket. A szikraforgácsolás elve viszonylag egyszerű. A munkadarabot és a szerszámot úgy helyezzük megmunkálási pozícióba, hogy azok ne érintkezzenek. Marad egy rés, amit „dielektrikummal” töltünk meg. A munkadarabot és a szerszámot egy kábellel rácsatlakoztatjuk egy áramforrásra. Az áramkör tartalmaz még egy kapcsolót is. Ha a kapcsoló zárt állapotban van, akkor a munkadarab és a szerszám között feszültség keletkezik.

gal2

 

A kisülés

gal3

 

Keményfémek gazdaságossága

A modern kivágó- és sajtoló technika, de a képlékeny alakítás területén is egyre nagyobbak a követelmények a szerszámokkal szemben. A nagy teljesítményű sajtolástechnikára és finomsajtolásra valamint a hajlító és domborító berendezésekre nagy fokú precizitás jellemző, ami akár 1 ěm vagási rést is jelenthet. A szerszámoknak olyan vágási mennyiséget kell elérniük, ami azonos minőség mellett az 1 és 10 milliós tartományban mozog, és a szakemberek 500 millió löketszámú élettartamra törekednek. Ezek olyan értékek, amelyek 20 évvel ezelőtt elérhetetlennek tűntek. Napjainkban a nagy teljesítményű présgépek percenként akár 2000 löketet is képesek teljesíteni. Ennek megfelelően jelentősen megnőttek a követelmények a szerszámanyagokkal szemben, mert a nagy teljesítményekhez igazodni kell.

gal4

A kivágandó szalag befut egy nagy teljesítményű présgépbe, és a többlépcsős szerszám keményfém betétei kivágják, hajlítják, domborítják és levágják.

 

A jó szerszám szerkezeti anyaggal szemben támasztott követelmények közé ezért nemcsak az anyag keménysége tartozik, ami a tribológiai igénybevételekkel (súrlódás) szemben garantálja az ellenállóságot, hanem az alábbi tulajdonságok is:
–    magas nyomószilárdság,
–    alacsony hőtágulás,
–    jó adhéziós viselkedés,
–    kielégítő szívósság,
–    jó megmunkálhatóság.

A wolfram-karbid és kobalt bázisú keményfémek (továbbiakban KF) bizonyultak erre a legalkalmasabb anyagoknak.

A szerszámgyártásban a keményfémek felhasználásának gazdaságossága a kivágott alkatrészek növekvő számával egyenes arányban nő. A költségszámítások szintén azt mutatják, hogy néhány millió darab kivágott alkatrésztől kezdve nagy megtakarítási lehetőségek rejlenek a KF alkalmazásában. Az acélszerszám kopása folyamatosan nő. A KF szerszám esetén a kopás egy bizonyos alap érdesség elérése után hosszú ideig szinte változatlan. Így hosszan biztosítható a sajtolt és kivágott termékek egyenletes minősége. A „jó megmunkálhatóság” kulcsszóhoz azonban még meg kellett találni a helyes, és egyben gazdaságos megmunkálási eljárásokat is.
A KF akkoriban még újdonságnak számító szikraforgácsolással való megmunkálásával vált ezeknek a szerszámoknak a gyártása és alkalmazása gazdaságossá.

A szerkezeti anyag-keményfém

A „keményfém” fogalom egész egyszerűen egy anyagcsoportot jelöl, amelyre nagyon nagy keménység és magas kopással szembeni ellenálló képesség jellemző úgy, hogy a fémekre általában jellemző szívósággal is rendelkezik. A mi munkánkban ez alatt a karbid alapú szinterezett keményfémeket értjük. Neve ellenére az anyag csak kis részben (3…20 tömeg %) tartalmaz fémet. Ez az ötvöző anyag, amihez az összes keményfémfajta 95%-ánál tiszta kobaltot (Co) használnak, alkalmas arra, hogy a kerámia alkotó elemeket (karbidokat) egy sütésszerű folyamattal cementálják.

gal5

Az ábra vázlatosan mutatja a keményfém előállításának különböző lépcsőfokait.

1    WC + Co + Ni/Cr + TiC/TaC
2    Keverés és őrlés
3    Szárítás
4    Lineáris préselés
5    Izostatikus préselés
6    Előszinterezés
7    Formaadás
8    Szinterezés
9    HIP-szinterezés
10    Fizikai ellenőrzés
11    Félgyártmányok
12    Szikraforgácsolás
13    Végellenőrzés

 

Ezért az angol nyelvterületen a keményfémeket legtöbbször „cemented carbides” vagy egyszerűbben „carbides” névvel illetik. A KF tehát főleg karbidokból (kerámiához hasonló anyagok) áll, amelyek az extrém keménységet és kopással szembeni ellenálló képességet – magas hőmérséklet esetén is – biztosítják. A kovalens kötést úgy hozzák létre, hogy a fémet a szénatomokkal (C) egyértelműen meghatározott arányban összekeverik.

A leggyakrabban alkalmazott karbid a wolframkarbid (WC), amit tisztán, vagy más, kis mennyiségű karbidokkal, pl. titánkarbiddal (TiC), tantál-karbiddal (TaC), nióbium-karbiddal (NbC), vanádium-karbiddal (VC), molibdén-karbiddal (Mo2C) vagy krómkarbiddal (Cr2C3), összekeverve használnak.

A karbidok prizma vagy kocka alakú szemcsék formájában léteznek, melyek nagysága 1…5 µm. Mivel a WC nem áll ellen a magas hőmérsékletnek, nem lehetséges a wolfram-monokarbid bázisú KF-ek hagyományos kohászati eljárásokkal, pl. olvasztással, ötvözéssel vagy öntéssel történő előállítása. Alternatívaként porkohászati eljárások léteznek. Vegyi, majd később mechanikai gyártási eljárásokkal nagy tisztaságú karbid- és fémporokat állítanak elő a kívánt szemcsenagyságban.

Az optimális összetétel és homogenitás elérése érdekében ezeket a porokat őrlik, majd összekeverik és ezután a kívánt formákban 1300 és 1500 °C közötti hőmérsékleten szilárdítják azokat. Ezt a hőtani folyamatot hívjuk szinterezésnek. A választott hőmérsékletnek elég magasnak kell lennie ahhoz, hogy a fém fázist megolvassza és az olvadék a kapilláris diffúzió segítségével a karbidok közötti összes pórust bezárja és így az anyagot egy komplett blokká alakítsa. A szinterezési folyamat végén több mint 99,8%-os sűrűséget érnek el.

Az ideális sűrűség eléréséhez a blokk a szinterezés után még 1000 – 1500 bar nyomással magas hőmérsékleten izostatikusan tömöríthető. Így lehetséges a majdnem pórusmentes anyag előállítása, amit a gyártási technológiáról elnevezve HIP (Hot Isostatic Pressing) minőségnek hívnak. Napjainkban lehetséges e két folyamat egyesítése a különleges szinter-HIP-kohóban. Ezzel a fémes kötőanyag eloszlása homogénebb lesz és végeredményben jobb mechanikai tulajdonságokat kapunk. A KF extrém keménysége miatt lehetőleg csak alkatrészeket szintereznek a kívánt végső formában azért, hogy a szükségtelen és nagyon költséges utómegmunkálásokat elkerüljék. Mivel azonban a szinterezés jelentős térfogatcsökkenéssel (10 – 15%) jár együtt, ezért lehetetlen a nagyon precíz – mindenek előtt összetett geometriájú – szerszámok, bélyegek és vágólapok előállítása. Ezekben az esetekben KF-blokkokat gyártanak, és a hagyományos eljárásokkal (köszörüléssel) vagy szikraforgácsolással (EDM) munkálják meg azokat.
Ezt a két megmunkálási eljárást napjainkban minden szerszámgyártó széles körben alkalmazza. A köszörüléshez azonban költséges gyémánt szerszámok és hosszú megmunkálási idők szükségesek. Ezen kívül az összetett formákat, ha egyáltalán lehetséges, csak nagy ráfordítással lehet kialakítani. Ezért a szikraforgácsolás, mint a fiatalabbik gyártási eljárás, sokoldalúságának, nagy precizitásának és nagyfokú automatizálhatóságának köszönhetően, az alacsony termelési költségekkel együtt, egyre inkább elterjedt.

Keményfémek szikraforgácsolás

A szikraforgácsolás első sorban termikus folyamat. Az elektromos szikrák anyagolvasztás és anyagleválasztás alatti hőleadása – a bevezetett energiától függően – különbözőképpen hat az elektroerózóval megmunkált felületek struktúrájára. Nagy teljesítmény esetén olyan felületi feszültségek keletkezhetnek, melyek mikron méretű repedéseket okozhatnak. Ezért különösen a simító vágásoknál kell odafigyelni az áramimpulzusok nagyságára, melyeket egyre kisebb energiával kell megvalósítani azért, hogy a hőtani behatásokat korlátok között tartsuk. Ennek során minden egyes simító vágással el kell távolítani az előző vágás során hőtanilag befolyásolt anyagréteget. Ezért hibás az a kísérlet, hogy a simító vágások számát csökkentsük azért, hogy rövidítsük a megmunkálási időt.

Keményfém standard szikraforgácsolása

Manapság a legtöbb szikraforgácsoló rendszer rendelkezik standard technológiákkal, melyek 100 mm vágási magasságig Ra 0,2 µm végső felületi érdességet garantálnak. A technológiák vágólapok, bélyegek és egyéb komplex geometriájú valamint nagy precizitású szerszámok gyártását teszik lehetővé. A fajlagos vágási sebesség, az alkalmazott huzal minőségétől függően 10 és 20 mm2/perc között van. Megjegyzendő, hogy ennél magasabb vágási sebességek is elérhetők. Ez azonban növeli a mikronméretű repedések létrejöttének veszélyét.

Különleges vágási technológiák

A standard technológiákat egészítik ki az AGIE által kifejlesztett különleges technológiák a legfinomabb (Super Finish) felületekhez annak érdekében, hogy minimalizálják az anyag hőtani terhelését. Az új generátor technológiák és a tovább fejlesztett folyamatvezérlés segítségével a legmagasabb kontúrpontosság mellett érhetők el akár Ra 0,05 µm felületi érdességek. Ezzel nemcsak a szikraforgácsolt szerszámbetétek hosszabb élettartama érhető el, hanem finom huzalok alkalmazásával élesebb sarkok és élek alakíthatók ki, ami lehetővé teszi a vágólap szétbontását rész-vágólapokra.

gal6

Szekvenciák, melyek a telibe vágástól a 3. simító vágásig mutatják az anyag keresztmetszetét

 

Laboratóriumi vizsgálatok

A kereskedelemben azonos vegyi összetételű, azonban rendkívül különböző vegyi és mechanikai tulajdonságú keményfémek kaphatók. Ez a tény a kényes szinterezési folyamatra vezethető vissza és különösen arra, hogy nagyon nehéz alkalmas és semleges atmoszférát tartani a kohóban a szinterezés közben. Annak érdekében, hogy a különböző KF fajták tulajdonágait megvizsgálják szikraforgácsolási teszteket végeztnek, melyek után metallográfiai vizsgálatok, amennyiben szükséges volt, REM-vizsgálatok (raszter-elektron mikroszkópos) következnek.

A laboratóriumi vizsgálatok azt mutatják, hogy az összes KF fajta hasonlóan viselkedik a szikraforgácsolás alatt, másfelől bizonyossá vált, hogy a KF kobalttartalma befolyásolja a megmunkálás sebességét és a szikraforgácsolt felület minőségét. A fémes kötőanyagok növekvő arányával romlik a leválasztási sebesség és a végső felületi érdesség, mivel a szikrázott felületen nagyobb méretű fémolvadékok szilárdulnak meg ismét. A kobalt csökkenő arányával nő azonban a keményfém érzékenysége a hősokkra, ami a mikronméretű repedések képződésének veszélyét növeli.

gal7

Felületminőségek összehasonlítása.
Balról jobbra: köszörülés Ra 0.14 µm, tömbös szikraforgácsolás Ra 0.16 µm, huzalos szikraforgácsolás Ra 0.12 µm. Anyag keményfém 12% Co tartalommal, finomszemcsés. REM felvétel 400x nagyításban.

 

gal8

Szélső anyagrétegek összehasonlítása.
Balról jobbra: köszörülés Ra 0.14 µm, tömbös szikraforgácsolás Ra 0.16 µm, huzalos szikraforgácsolás Ra 0.12 µm. Anyag keményfém 12% Co tartalommal, finomszemcsés. Szélső anyagréteg keresztirányban REM felvétel 10.000x nagyításban.

gal9

Szélső anyagrétegek összehasonlítása huzalos szikraforgácsolásnál. Baloldalon Acél, jobboldalon keményfém. Ahogyan a felvételből is látszik a keményfém esetében nincsenek hibák, mint pl. kiégés vagy repedések. Ez egyben azt is jelenti, hogy a rétegvastagság < 0.1 µm

A szemcsenagyság jelentősen befolyásolja a keményfém mechanikai tulajdonságait. A kobalt tartalommal szemben az anyagleválasztás sebességére és a végső felületi érdességre gyakorolt hatása azonban lényegesen kisebb, ezért nagyon jó eredményeket lehet az ún. „Micrograins”-ek nélkül is elérni. Kis mennyiségű karbidkeverékek, pl. TiC és TaC, semmilyen szempontból nem befolyásolják a szikraforgácsolási folyamatot.

A keményfém minősége

Noha a napjainkban a piacon elérhető KF minősége érezhetően jobb, mint a múltban, most is folyamatosan ügyelni kell a jó KF minőségre. A következőkben a KF gyártás lehetséges hibáiról és azok a szikraforgácsolásra való kihatásáról olvashatnak.

A KF elszéntelenítése elősegíti egy nagyon kemény és sprőd réteg, az ún. eta-fázis képződését, melynek hatása a keményfém mechanikai tulajdonságaira katasztrofális. A keményfém cementálása azt eredményezi, hogy a szabad szén (grafit) kis zárványokat alkot, melyek a szikraforgácsolás során a megmunkált felületen pórusokként viselkednek, és a dielektrikum visszatartása miatt elektrokémiai reakciókhoz és így nem kívánatos korrózióhoz vezetnek. Ezen kívül hátrányosan befolyásolják a mechanikai tulajdonságokat is (repedésképződés kiinduló pontjai!). Az anyag porozitása és homogenitása a két legfontosabb tényező, melyek a keményfémek korrózióval szembeni ellenálló képességét befolyásolják. A tapasztalat azt mutatja, hogy a korróziós folyamatok nem minden esetben vezethetők vissza csak a szabad szénnel történő reakcióra vagy a porozitásra. Inkább bizonyos anyagok inhomogenitása játssza a döntő szerepet. Az optimális, közel pórusmentes és homogén anyagot csak a tökéletesen elvégzett szinterezés garantálhatja.

A keményfém korróziója

Mivel a huzalos szikraforgácsolásnál vizet használnak dielektrikumként, nem kívánatos jelenségek léphetnek fel a KF megmunkálás közben vagy után, pl. a fém fázis kioldódása („kimosódás”-nak is nevezik), amit egészen általánosan „korróziónak” nevezünk. Egyfelől semleges közepes feszültségekkel különleges technológiák kerültek kifejlesztésre, melyek ezeket a jelenségeket nem ideális feltételek esetén is jelentősen csökkentik, másfelől a laboratóriumi vizsgálatok megmutatták, hogy ideális megmunkálási körülményeknél tökéletes eredmények érhetők el, mivel a szikraforgácsolás önmagában nem okoz korróziót a munkadarabon.

Annak érdekében, hogy minden-fajta korróziós jelenséget kiküszöbölhessünk, előnyös, ha megértjük a korrózió folyamatát. Amint már említettük, a kobalt ideális kötőanyag a kiváló mechanikai tulajdonságú KF előállításához. Másrészt a kobalt, mint a legtöbb fém, elektrokémiailag nagyon reagenssé válik vizes oldatokban, vagyis vízben hajlamos ion formában az oldódásra. Ha azonban a KF munkadarab közelébe teszünk más fajta fémet, és a kettőt közösen földeljük (pl. az acélból készült szikraforgácsoló fejet), akkor elektrokémiai feszültségcsökkenés jön létre, ami ionáramlást okoz a dielektrikumban. Így oldódik ki folyamatosan a kobalt a felületből és kis lyukak formájában korrózió keletkezik, amit nem mindig lehet puszta szemmel észrevenni és amit „pontkorróziónak” nevezünk.

gal10

Elektrokémiai feszültségesés, amely ionáramlást idéz elő
a dielektrikumban
1 – Munkadarab; 2 – Dielektrikum; 3 – Áramszedők
4 – Generátor; 5 – Földelés

gal11

Keményfém struktúrájának nagyított képe, ami szabad szenet tartalmaz. Ez pontkorróziót okozhat, ami a repedések kiinduló pontja lehet.

Ezért a munkadarabokat a megmunkálás után azonnal ki kell venni a kádból és meg kell szárítani azokat. Amennyiben ez nem megoldható, legalább a szikraforgácsoló fejet távolítsuk el minél messzebbre a munkadarabtól az EDM megmunkálás után.

Vízdielektrikum hatása a keményfémekre

Az előzőekben ismertetett elektromos jelenségeket tovább erősíti a víz magas vezető képessége. A víz dielektrikum ideális vezető képessége ezért 5 µS/cm érték alatt van. A dielektrikum másik fontos tulajdonsága a hidrogén-ionkoncentráció (H+), amit pH-értéknek nevezünk. Az optimális pH-érték 7 és 8 között van, ez azt jelenti, hogy csak semleges kémhatású vizet szabad használni, mivel a savas környezet (pH-érték  < 7) a KF-ben lévő kobaltra, és általában a fémekre, nagyon agresszíven hat. A pH-érték erősen függ az alkalmazott ioncserélő gyanták fajtájától. A pH-érték csökkenésének megakadályozására ajánlott az ioncserélő gyanta idő előtti kicserélése.

Ehhez társulhat még – különösen KF-mel szemben – agresszív ionok (kloridok, szulfátok, aminok, stb.) jelenléte a dielektrikumban, melyek jelentősen gyorsítják a korróziót. A legveszélyesebbek, még kis koncentrációban is, a kloridok lehetnek. Ezért rendkívül fontos, hogy jó minőségű legyen a víz. Ahhoz, hogy a dielektrikum egységhez teljesen tiszta és klorid-mentes dielektrikum kerüljön, a vizet ioncserélő gyantával vagy fordított ozmózissal ajánlott kezelni. A szikraforgácsoló berendezés azon részeit, melyeket tisztító szerekkel kezeltek, nagyon jól le kell öblíteni, mielőtt azokat visszaszerelik a berendezésbe, mivel a tisztítószerek olyan anyagokat tartalmaznak, melyek a fémekkel vízben oldódó sókat képeznek. Ugyanígy távol kell tartani a savakat és lúgokat a munkatértől, hogy ne kerüljön korróziót elősegítő anyag a dielektrikumba.

A munkadarabokat is gondosan meg kell tisztítania a munkatérbe való behelyezés előtt, hogy a köszörülési segédanyagokat vagy egyéb szubsztanciákat eltávolítsunk a felületről. A szikraforgácsolással leválasztott szemcsék letapadása a munkadarab felületén ún. lokális elemek képződését okozzák, melyek szintén korrózióhoz vezethetnek. A munkateret tehát minél tisztábban kell tartani.

A három legfontosabb dolog

Anyag: Csak bizonylatolt minőségű keményfémet használjunk. Azok a keményfém fajták, melyeket probléma nélkül lehetett hagyományosan köszörüléssel, marással, stb. megmunkálni, nem feltétlenül alkalmasak a szikraforgácsoló megmunkálásokhoz. A keményfém félgyártmányok mérete lehetőség szerint minél kisebb legyen.

Szikraforgácsolás: Olyan szikraforgácsoló rendszerrel dolgozzunk, amely rendelkezik a keményfém megmunkálásokhoz a legoptimálisabb technológiákkal. A keményfém munkadarabokat megszakítás nélkül, egy darabban szikraforgácsoljuk, és megmunkálás után azonnal távolítsuk el a kádból.

Dielektrikum: Biztosítsuk a víz dielektrikummá való helyes előkészítését. A dielektrikum egységben ügyeljünk a legnagyobb tisztaságra. Biztosítsuk a megmunkálási technológia helyes alkalmazását.

Szabó Gábor
Galika Szerszámgépek Kft.

Források:
1.    www.reliableedm.com
2.    AgieCharmilles Ltd.: Keményfémek szikra-
forgácsolása
3.    GF AgieCharmilles: Oktatási DVD