Новости при електроерозийната обработка

• Електроерозийната обработка е сред най-популярните неконвенционални методи за рентабилно производство на метални и неметални изделия с комплексни профили и геометрии
  
  
• Сред иновациите, които устойчиво се налагат в сегмента през последните години, са хибридните методи, включващи комбинация от EDM и други типове обработка
  
  
• Машините за нишкова електроерозийна обработка от ново поколение се проектират в синхрон с нарастващия фокус върху автоматизацията и дигитализацията в индустрията

Електроерозийната (EDM) обработка се радва на широка популярност в съвременната индустрия поради множеството си предимства в сравнение с други методи за производство на метални компоненти и изделия. Тя е отлична алтернатива за работа с редица труднообработваеми материали, при които конвенционалната механична обработка се оказва невъзможна или нерентабилна. Наред с напредъка при инженерните технологии, композитите и електродите, самият процес непрекъснато бива оптимизиран с цел минимизиране на износването на инструментите, повишаване на темповете на отнемане на материал и усъвършенстване на качеството на повърхностите. За целта се разработват иновативни решения за управление на процесните променливи, искрообразуването и спомагателните процеси, както и техники за моделиране, мониторинг и измерване на производителността.

Предимства и възможности

EDM е широко използван метод за неконвенционална обработка, който позволява рентабилно производство на метални и неметални изделия с комплексни профили и геометрии, например матрици, щанци и пресформи. Единственото ограничение е, че обработваните детайли трябва да са направени от проводим материал. Технологичният прогрес в областта през последните десетилетия прави възможно постигането на все по-високо качество при по-ниска цена.

Основно предимство на електроерозийната пред конвенционалната обработка е, че позволява работа с множество труднообработваеми метали и сплави, използвани в машиностроенето, автомобилната, авиационната, космическата и отбранителната индустрия. Разработчиците на иновативни технически решения за електроерозийна обработка залагат на принципа, че както електрическите, така и останалите процесни параметри оказват влияние върху крайното качество и трябва да бъдат прецизно регулирани при управлението на основните и спомагателните операции. Сред водещите приоритети при новото поколение EDM машини са повишаването на производителността и подобренията в темповете на отнемане на материал, които традиционно са по-ниски в сравнение с тези при конвенционалната механична обработка.

EDM методът е изключително ценeн в съвременната индустрия поради възможностите за постигане на високо качество на крайните повърхности. При тази технология липсват механични вибрации и натоварване върху обработвания детайл, тъй като той не влиза в директен контакт с инструмента. Все повече внимание отделят инженерите и технолозите в сферата на електроерозийната обработка върху възможностите за работа с композитни материали, които се радват на популярност в различни промишлени отрасли поради специалните си свойства и голяма здравина. Конвенционалните методи се оказват недостатъчно ефективни в такива сценарии. EDM сегментът обаче непрекъснато предлага нови и нови решения за ефективна и надеждна работа с композити, включително техники за суха обработка, обработка с добавки, с вода като диелектрична течност и др. Въвеждат се и новаторски технологии за моделиране на процеса, базирани на изкуствени невронни мрежи или генетични алгоритми, а резултатите са все по-обещаващи.

Сред иновациите, които устойчиво се налагат на пазара през последните години, са хибридните методи (включващи комбинация от EDM и друг тип обработка) и микро-EDM обработката, при която е възможно постигането на изключително прецизни повърхности от порядъка на микроскалата, макар и на цената на значително намалени темпове на отнемане на материал. Плюс е ниската консумирана мощност.

Хибридни решения

Новостите в областта на електроерозийната обработка през последните години можем да групираме в няколко категории. Голяма част от тях са насочени към ефективен мониторинг и управление на основните и спомагателните операции – интегриране на т. нар. размита (fuzzy) логика, подобрения в импулсните и времевите аспекти на обработката, както и използване на радиочестотни технологии за възбуждане на искрообразуването. Оптимизацията на процесните променливи е фокусирана към прецизно регулиране на електрическите и неелектрическите параметри, дизайна на електродите и цялостния производствен процес. Друга област с множество нововъведения е управлението на индикаторите за ефективност и производителност – повърхностното качество, темповете на отнемане на материал и износването на инструментите.

В допълнение към популярната нишкова ерозийна обработка, все по-често се прилагат и споменатите по-горе хибридни техники, разработени да компенсират редица проблеми при традиционната и неконвенционалната обработка. Такива са EDM методът с ултразвукови вибрации, комбинацията от EDM и лазерно-лъчева обработка, съчетаването на електроерозия с високоскоростно рязане, както и електрохимичната ерозийна обработка (ECDM).
Предимство на ултразвуковите вибрации на електрода е, че се подобрява цялостната производителност, особено при работа с труднообработваеми материали. Друг плюс е улесненото отстраняване на натрупванията от остатъчни частици по работната маса.
Искровата ерозия, която обикновено се получава посредством импулсно захранване, се заменя с постоянен ток, а импулсният заряд се произвежда от относителното движение между материала на детайла и материала на инструмента. Това опростява оборудването и намалява общата му себестойност.

Хибридизацията между лазерно-лъчева и EDM обработка също набира популярност в сферата на микрообработката. В резултат се увеличава скоростта и се намалява времетраенето на производствения цикъл. Желаният контур и геометрия на детайла се получават посредством лазерно рязане, а ерозията служи за обезпечаване на довършителните операции. Производителността значително нараства наред с темповете на отнемане на материал, а износването на инструменталната екипировка се свежда до минимум.

Електроразрядното полиране е хибриден процес, който функционира на същия принцип като традиционната ерозийна обработка. Позволява работа с изделия от изключително трудни за обработване материали (например карбиди) два до три пъти по-бързо от конвенционалното шлифоване и с високо качество на крайните повърхности (от порядъка на 0,2 – 0,3 mm).
Електрохимичната ерозийна обработка (ECDM) е плод на опитите за комбиниране на двата базови метода през последните 50 години. В резултат днес приложната област на технологията е доста обширна, като включва обработка дори на традиционно непроводими инженерни материали като керамика и композити.

Нови разработки при материалите и процесите

През последните няколко десетилетия здравината на керамичните материали нараства значително, което ги прави все по-търсени в различни сфери на индустрията. Възможностите за обработката им обаче остават ограничени, особено при необходимост от високо повърхностно качество. Разработката на електропроводими керамични материали позволява използването на EDM машини за таз цел. Базираните на алуминиев оксид керамични композити например се отличават с висока износоустойчивост и химическа стабилност, което ги нарежда сред предпочитаните материали за изработка на металорежещи и металообработващи инструменти от ново поколение. Основен метод за производството на такива модели остава електроерозийната обработка.

Сериозен фокус от страна на технолозите в сферата на EDM решенията се поставя и върху повишаване на ефективността и производителността чрез иновации при електродите. В добавка към традиционните графит, мед и волфрам все по-често се използват волфрамов карбид, мед-волфрамови сплави, алуминий и композитни материали. Плътността и точката на топене на материала на инструмента трябва да се запазят високи, за да се избегнат интензивно износване и неточности на инструмента. Медните електроди продължават да са сред най-популярните решения, защото се отличават с добра проводимост, допустими темпове на износване и възможности за високо качество на крайните повърхности (Ra = 0,5 mm) при по-ниски производствени разходи в сравнение с пазарните аналози. На практика разходите за закупуване на електроди представляват приблизително половината от общата инвестиция, свързана с експлоатацията на една EDM машина. Бюджетни варианти за електроди предлага и праховата металургия.

Ефективността на електроерозийната обработка зависи от множество фактори, сред които параметрите на електрическите импулси, основно разрядния ток и продължителността на импулса. Съществува закономерност, според която скоростта на износване на инструмента нараства с увеличаване на параметрите на електрическия импулс и силно се влияе от разрядния ток. Качеството на повърхностната обработка пък зависи от разрядния ток и продължителността на импулса. Неелектрически параметри като ротацията на детайла и инструмента и промиването на диелектричната течност също са от значение за постигане на оптимална ефективност.

Друга група актуални разработки в сегмента доказва, че производителността на EDM процеса може да бъде забележително подобрена посредством прахови добавки – фини абразивни частици, в диелектричната течност. Те използват нискоимпулсната енергия и увеличават искровата междина между електрода и детайла. Резултатът отново е хибриден процес, познат като прахово-смесена ерозийна обработка, при която са възможни прецизно качество на повърхностите и високи темпове на отнемане на материал. Прекалено високата или ниска концентрация на абразивен прах в маслото (работния флуид) обаче би имала обратен ефект.
По време на EDM обработката е налице отнемане на материал както от детайла, така и от инструмента, като интензитетът зависи от какво са изработени, както и от работните параметри.

Материалите с ниска точка на топене позволяват висока скорост на отстраняване за сметка на по-груби повърхности. Установено е, че с увеличаване на импулсния ток и постоянен брой импулси за единица време темпът на отнемане на материал се увеличава, но отново при по-ниско повърхностно качество. Ефективността на EDM обработката може да се увеличи чрез подаване на кислороден газ в искровата междина, а скоростта на отстраняване на отделните етажи на материала – да се увеличи чрез по-голям обем на разрядната вдлъбнатина и редовно индуциране на разряди. Оптимални темпове на отнемане на материал могат да бъдат постигнати при ниски стойности на тока. Те биха позволили и по-високо качество на крайните повърхности без риск от плитки пукнатини.
Струва си да отделим малко повече внимание и на микро-EDM обработката, която набира популярност в производството на изделия с по-малки размери и триизмерни форми. В обхвата на метода попада пробиването на миниатюрни отвори с диаметър до 5 mm, както и сложни детайли с комплексни профили и геометрии. За различни прецизни приложения микроерозийната обработка се доказва като по-ефективна алтернатива на механичното пробиване и лазерно-лъчевото рязане.

Научноизследователски и пазарни иновации

Все по-често в съвременната металообработка намират приложение иновативни концепции от сферата на компютърните науки и изчислителната техника. Такива са например изкуствените невронни мрежи (ANN), които са способни да получават съхраняват и прилагат различни типове познание, придобито чрез опит. В електроерозийната обработка тези серии от алгоритми изпълняват ролята на комплексен инструмент за моделиране, който използва входните и изходните параметри на даден процес, за да генерира виртуален модел на протичането му. С помощта на ANN-базиран изчислителен софтуер могат лесно да бъдат разрешавани различни нелинейни проблеми с традиционно трудни аналитични и цифрови решения.

Друга технология от същата сфера са генетичните алгоритми, които представляват процедури от по-високо ниво, разработени да предоставят достатъчно добри решения на разнообразни оптимизационни проблеми, включително и на комбинации от такива. За целта процесните (входящите) параметри се кодират като “гени” в системата посредством двоичен код. Чрез различни комбинации от тези гени се формират “хромозоми” или решения с необходимите характеристики.
Сред иновациите в сегмента на EDM обработката са и платформите за управление на процеса, базирани на метода на крайните елементи (FEM), техниките за мрежово картографиране на детайлите, както и алгоритмите на изкуствените пчелни семейства (ИПС). Макар голяма част от решенията, базирани на тези технологии, все още да са във фаза на разработка и тестване, все по-сериозен процент от тях намират и своята пазарна реализация.

Машините за нишкова електроерозийна обработка от ново поколение са сериозно повлияни от този иновационен подход и от заимстването на технологии от други сфери като изчислителната техника, както и от нарастващия фокус върху автоматизацията и дигитализацията в металообработката. В резултат се разработват и патентоват различни технологии за повишаване на качеството и ефективността. Една от най-интересните сред тях е иновативен механизъм за въртеливо движение на електрода (нишката) по време на обработващия цикъл. Детайлите се обработват отгоре надолу с “неизразходваната” повърхност на електрода. Решението осигурява допълнителен контрол върху нишката, вследствие на което се постига по-добро качество на повърхностите и подобрена геометрична точност в комбинация с минимизиране на изразходването на електрода. Освен високоефективна, технологията е и екологосъобразна, което обещава да даде значителен тласък на приложенията й в бъдеще.

Друга интересна новост са усъвършенстваните функции за стъпална обработка, с които разполагат някои от най-високотехнологичните модели на пазара. Оптимизацията е в посока лесно и удобно преодоляване на традиционни проблеми с точността и качеството като формирането на ивици при внезапна промяна/разлика във височината (нивото). В резултат значително се подобряват характеристиките например при изработване на различни отвори и канали, дори и при финишна обработка на множество кухини в средата на заготовката. Сред иновациите в този клас са възможностите за визуална селекция на оптимални работни параметри посредством удобни икони на сензорния панел за управление на машината, както и подобрените функции за дигитален мониторинг на флуида за обработка (филтърно налягане, специфично съпротивление спрямо нивото, температура на флуида и др.)
Най-съвременните модели на пазара разполагат и с платформи за мониторинг и автоматична диагностика на статуса на машината, включително обработващите процеси, поддръжката и инсталационната среда, които спомагат за увеличаване на производителността, редуциране на броя на авариите и подобряване на проследимостта.

Сред предимствата на новото поколение нишкови електроерозийни машини са още: автоматични механизми за задържане на детайла след премахването му от зоната на обработка, прецизни измервателни системи и модерни решения за машинно зрение, усъвършенствана съвместимост с роботизирани системи, както и високоскоростни механизми за поставяне на електрода в съответния държач в съчетание с функция за автоматичното му връщане в правилна работна позиция в случай на случайно изваждане или разместване.