EDM = Electric-Discharge Machining (Prelucrare prin descarcari electrice)

EDM = Electric-Discharge Machining (Prelucrare prin descarcari electrice)

EDM este o tehnologie oarecum similara ECM-ului si care adesea se confunda cu aceasta si realizeaza prelucrarea pieselor metalice prin descarcari electrice intre acestea si scula (electrod), ambele fiind imersate intr-un lichid dielectric.

Def. Material dielectric= Material izolant din punct de vedere electric si care se polarizeaza temporar cand este introdus intr-un camp electric.

Forma negativul electrodului este imprimata gradual in piesa.

Intre piesa si electrod nu exista contact, distanta fiind cuprinsa intre 0.02 si 0.3 mm. In cursul prelucrarii este recomandat sa se mentina constanta aceasta distanta.

Inceperea descarcarii electrice ce produce scanteia corespunde momentului in care, ca urmare a cresterii tensiunii aplicate intre piesa si electrod se produce fenomenul de strapungere a lichidului dielectric.

Def La depasirea unei anumite valori a intensitatii campului electric, densitatea curentului electric creste rapid cu campul si are loc strapungerea izolantului. Fenomenul de strapungere se produce daca tensiunea aplicata depaseste valoarea numita de strapungere,Ustr respectiv daca intensitatea campului electric este cel putin egala cu rigiditatea dielectrica Estr.

In timpul descarcarii se produc scantei mai mari la nivelul piese de prelucrat dar si o serie de scantei mai mici la nivelul electrodului ceea ce duce la consumarea acestuia.

In timpul miscarii electrodului , fiecare arc electric se comporta ca o sursa individuala de caldura ce cauzeaza fuziunea si fierberea particulelor de material corespunzatoare electrodului si piesei de prelucrat.

Materialul indepartat se evacueaza sub forma unor granule foarte mici.

Spre deosebire de ECM unde exista un flux permanent de lichid, la EDM avem o baie statica de lichid. Dupa fiecare descarcare electrica cu  indepartare de material, dielectricul este evacuat si inlocuit cu altul curat.

Dielectrici lichizi:

. uleiuri minerale: ulei de condensator, ulei de transformator;

. uleiuri sintetice: hidrocarburi aromatice clorurate, uleiuri siliconice,

In urma prelucrarii pieselor prin EDM are loc schimbarea structurii moleculare a materialului la nivelul suprafetei unde se produc scanteile, rezultand o suprafata tratata, care insa nu intotdeauna este acceptata de client.

Suprafetele obtinute in urma procesului de EDM nu sunt foarte fine comparativ cu ECM.

ECM = Electro-Chemical Machining

(Prelucrare prin procedee electro-chimice)

Prelucrarea metalelor prin procedee electrochimice s-a dezvoltat incepand din anul 1958 in USA  si apoi cativa ani mai tarziu in Europa de vest , in special in industria aeronauticii ca urmare a folosirii unor metale greu prelucrabile prrin procedee conventionale: metale refractare, aliaje de titan, aliaje cu continut de cobalt si nichel.

ECM este un procedeu electrochimic pentru prelucrarea metalelor, in care piesa este prelucrata prin dizolvare anodica pe baza principiului electrolizei

ECM - PRINCIPII

Electroliza spontana

Electroliza este un fenomen ce se petrece la trecerea curentului electric continuu prin solutia sau topitura unui electrolit.

Fenomenul este complex si consta atat in migratia ionilor pozitivi catre catod si a ionilor negativi spre anod ,cat si in neutralizarea acestora .

Astfel la electrozi, ionii capteaza, respectiv cedeaza electroni, tranformandu-se in atomi neutri sau grupe de atomi. Acestia se pot depune ca atare pe electrod sau pot reactiona :

cu moleculele dizolvantului ,

cu electrodul ,

intre ei .

Se formeaza astfel produsi secundari ai electrolizei.

Daca se foloseste o celula electrolitica formata din doi electrozi cufundati intr-o solutie de electrolit si legati de o sursa de forta electromotoare, se inchide de asemenea un circuit electric. La aplicarea unei tensiuni electrice, intre electrozi se formeaza un camp electric; miscarea, pana atunci dezordonata, se transforma in miscare dirijata. Aceasta miscare orientata se numeste migrare.

Ionii pozitivi migreaza in directia electrodului negativ(catodul) si ionii negativi in directia electrodului pozitiv(anodul). Ionii incarcati pozitiv fiind atrasii de catod se numesc anioni. Prin urmare, trecerea curentului electric printr-un electrolit este insotita de deplasarea de materie. Aceasta deplasare de materie este insotita de variatii de concentrati si deci prin separare de substanta la punctele de intrere si de iesire a curentului electric in, respectiv din, solutia electrolitului. Procesul este o electroliza.

Electroliza fortata

La catod: ionii (+) prezenti in electrolit migreaza spre electrodul negativ sub efectul campului electric si se pot descarca.

Reactia chimica corespunzatoare acesui fenomen se numeste reductie

La anod: ionii (-) prezenti in electrolit migreaza spre electrodul pozitiv si isi pierd incarcatura negativa.

Reactia chimica corespunzatoare acesui fenomen se numeste oxidare. Aceasta reactie se mai numeste si disolutie anodica si este folosita in prelucrarile electrochimice.

ECM - APLICABILITATE

COMPARATII INTRE ECM SI EDM

	EDM	ECM
Principiul de indepartare a materialului	Indepartare de material prin descarcare electrica	Indepartare de material prin disolutie anodica
Principalele materiale folosite	Toate materialele metalice	-Toate materialele metalice cu structura omogena -Dificil de prelucrat daca un sunt materiale omogene sau compozite
Tipuri de forme prelucrate	- Toate formele tubulare si prismatice (cu conditia sa aibe forme indepartabile)  - Obtinerea unor muchii ascutite - Obtinerea unor dimensiuni foarte mici	- Formele tubulare si prismatice (cu conditia sa aibe forme indepartabile) - Imposibil de obtinut muchii ascutite la piesele prelucrate (minim: R=0,2 - 0,3mm)
Moduri de prelucrare	- Ebosare - Finisare	- Finisare
Precizia de prelucrare	Toleranta poate fi mai mica de +/- 0,01 mm	+ 0,025 mm la formele prismatice +/- 0,05 mm la forme cu sectiune evolutiva
Rugozitate	Variaza in functie de felul prelucrarii: - Ebos : 20 ÷ 35 µm Ra - Finis : 0,6 ÷ 2,5 µm Ra	In general este cuprinsa intre 0,2 3 µm Ra
Indepartarea de material	-Ebos : 500 ÷ 1500 mm3/mn - Finis : 1 ÷ 40 mm3/mn	Mai eficienta decat EDM: mm3/mn/1000A (otel)
Uzura electrozilor	Depinde de modul de prelucrare: -usoara:  ≈1% la ebos -puternica: 15 ÷ 40% la finis	Nu se uzeaza

Prelucrarea pieselor metalice prin ECM este aproximativ de 10 ori mai rapida decat prin EDM

ECM -PROCES

Se realizeaza un curent intre scula (cu rol de catod avand polaritate negativa) si piesa de prelucrat (ce are rol de anod avand polaritate pozitiva)

Scula si piesa sunt despartite printr-un spatiu de lucru prin care trece un lichid de lucru numit electrolit. Acesta are rol de a facilita fluxul de curent electric de la anod la catod. Electrolitul este in general o solutie de apa cu nitrat de sodiu (NaNO₃) sau cu clorura de sodiu (NaCl).

Electrolitii sunt diferiti de metale din punct de vedere al conductibilitatii deoarece la electroliti curentul este purtat de catre atomi pe cand la metale electronii realizeaza trecerea curentului. Acesti atomi se numesc ioni.

Ionii pozitivi se numesc cationi iar cei negativi se numesc anioni.

Sub actiunea curentului electric miscarea dezordonata a ionilor devine ordonata si cationii care in cazul nostru sunt atomii pozitivi de metal (Fe) se deplaseaza de la anod (piesa de prelucrat) spre catod. Dupa ce se desprind de anod atomii pozitivi de Fe reactioneaza cu OH^- din electrolit dand nastere la Fe(OH)₂ impiedicand astfel atomul de Fe sa se mai depuna pe electrod.

la anod are loc ionizarea Fe:

Fe ==> Fe²⁺(aq) + 2e^-

la catod are loc generarea ionilor de hidroxil si hidrogen gaz:

H₂O + 2e^- ==> H₂ + 2OH^-

la final are loc neutralizarea cationilor de Fe avand ca rezultat formarea de hidroxid feros:

Fe + 2H₂O ==> Fe(OH)₂(s) + H₂

hidroxidul feros poate forma in continuare hidroxid feric:

4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ ==> 4Fe(OH)₃

Aparitia hidroxidului de Fe in electrolit duce la cresterea rezistivitatii acestuia ducand implicit la scaderea ratei de transfer a atomilor de Fe si incetinirea procesului.

Ca urmare pentru indepartarea Fe(OH)₂ se aplica un flux de electrolit curat cu conductibilitate ridicata ce inlocuieste electrolitul cu acumulari de hidroxid si mentine o rata ridicata de transfer de atomi de Fe.

De aceea fluxul de electrolit si calitatea electrolitului (gradul de filtrare) este foarte importanta in obtinerea unui proces stabil si corect.

LEGILE  ELECTROCHIMICII

Rata de indepartare a materialului este guvernata de legile electrochimiei ale  lui Ohm si Faraday

U = Voltajul   V R = Rezistenta    SI I = Intensitatea curentului   A J= Densitatea curentului    A/cm i = distanta dintre anod si catod   cm s = Area of the current path   cm = Conductibilitatea Siemens    S c = concentratia (densimetru) T = Temperatura in grade Celsius °C ↑ = crestere descrestere M = Cantitatea de material indepartata  gr t = Timp ( curent efectiv)  min A= Numar atomic Z= Valenta m = Gravitatea specifica  gr/cm3 F = 96500 coulombs V = Hydroxydes volum  cm3 ρ = Rezistivitatea unui  conductor Ω/cm C = constant =

1. Legea lui Faraday

Cantitatea de substanta care se depune pe electrozi in timpul electrolizei este proportionala cu cantitatea de electricitate care trece prin solutie, deci cu intensitatea curentului si cu timpul in care trece curentul prin electrolit.

M=C·I·t M=·I·t·η_F

Deci cantitatea de material indepartat este conditionata de intensitate (I) si timp (t)

NOTA: Valenta exacta la care un material intra in reactie electro-chimica adeseori un este cunoscuta. In timp ce unele metale au o singara valenta, iar valenta la care multe altele intra in reactie este cunoscuta, exista si un numar mic de metale ce intra in reactie la valente multiple ( Cr, Ni ).

Rata exacta de indepartare a materialului nu poate fi calculata decat daca procentajul valentelor in reactie a fost corect stabilit.

2. Diagrama

3. Legea lui Ohm

Pe o portiune de circuit intensitatea curentului electric este egala cu raportul dintre tensiunea aplicata la capetele portiunii si intensitatea curentului ce o strabate.

I=

4. Rezistenta

Rezistenta unui conductor electric este definita prin formula:

R=ρ·

Rezistent R a legii lui Ohm aplicate unui conductor ionic (electrolitul aflat intre electrod si piesa) este data de urmatoarea formula:

R=

5. Densitatea curentului

   

  ==>

Cu cat distanta dintre electrod si piesa este mai mica cu atat densitatea este mai mare .

Cu cat vom avea o densitate de curent mai buna cu atat precizia si rugozitatea vor fi mai bune.

In general pentru debavurare J=20 ÷ 30 A/cm²

O densitate de curent buna va duce la o indepartare consistenta si constanta de material pe cand o densitate proasta va determina o indepartare intermitenta si neuniforma de particule, suprafata rezultata avand o rugozitate mare.

6. Conductivitatea

Pentru ca un electrolit sa fie eficace si eficient trebuie :

sa aiba o buna conductivitate electrica

sa nu fie scump

sa fie disponibil imediat

sa nu fie toxic

sa aiba o actiune coroziva cat mai mica

Cei mai raspanditi electroliti sunt:

solutia de nitrat de sodiu (NaNO₃) cu apa

solutia de clorura de sodiu (NaCl : sare de mare) cu apa

Totusi cea mai folosita este cea cu NaNO₃ datorita actiunii mai putin corozive.

Pentru electrolitul standard NaNO₃ cu 200g/l concentratie(sau 20% in greutate) valoarea conductivitatii este 124 miliSIEMENS (ms) pentru o temperatura de 20°C.

Conductivitatea depinde de:

natura electrolitului NaNO3 sau NaCl

concentratia c    ==> pentru 200g/l 2D 1,127

temperatura T (in °C) ==> in general 20÷30°C

Deoarece conductivitatea variaza cu temperatura si concentratia, trebuie luate masuri pentru a mentine acesti parametri constanti. 

Dispozitivele de control automat al temperaturii pot fi utilizate pentru a mentine temperatura electrolitului constanta prin actionarea asupra unor racitoare si incalzitoare.

Concentratia poate fi pastrata constanta prin utilizarea densimetrelor si dispozitivelor de dozare automate.

CURGEREA  ELECTROLITULUI

1. Curgere laminara

Curgerea fluidelor reale este insotita intotdeauna de aparitia unor forte de frecare interna . Aceste forte se datoresc faptului ca diferitele straturi paralele ale fluidului care curge au viteze diferite ; straturile situate mai aproape de peretii piesei si ai electrodului au viteze mai mici in comparatie cu cele situate mai aproape de mijlocul distantei dintre ele.

In prelucrarea electrochimica nu ar trebui sa fie un flux laminar deoarece nu se obtine o prelucrare buna.

2. Curgere turbulenta

Curgerea are loc dezordonat, viteza de deplasare a particulelor are si o componenta perpendiculara pe directia de curgere si straturile de fluid se amesteca.

Repartitia vitezelor de curgere pe directia de curgere depinde de regimul de curgere:

- pentru curgerea in regim laminar, repartitia vitezei axiale are un aspect parabolic, cu valoare maxima in axa conductei;

- pentru curgerea in regim turbulent forma curbei de distributie a vitezelor axiale este mai aplatisata, valoare vitezei medii fiind mai apropiata de cea a vitezei maxime

In concluzie curgerea trebuie compromisa preferandu-se mai degraba o curgere turbulenta decat una laminara.

TIPURI DE CURGERE

3. Curgere dierecta

- Electrolitul ajunge prin gauri executate in electrod si este avacuat prin spatiul dintre electrod si piesa in afara dispozitivului.

- La iesirea din piesa electrolitul sufera o destindere datorita cresterii sectiunii ducand la micsorarea densitatii si presiunii acestuia pe portiunea respectiva, curgerea fiind inrautatita.

4. Curgere directa cu presiune de retur

Acelasi principiu ca la curgerea directa , cu exceptia faptului ca pe faza finala curgerea electrolitului este franata de catre un dispozitiv ce realizeaza o presiune de retur imbunatatind curgerea pe acasta zona.

Dispozitivul de deasupra piesei face posibil reglajul presiunii de retur.

5. Curgere inversa

Elactrolitul parcurge traseul invers ca la curgerea directa, fiind introdus prin spatiul dintre piesa si electrod, evacuarea facandu-se prin gaurile practicate in electrod. Sensul de curgere al electrodului la iesire este invers celui in care inainteaza scula (electrodul)

6. Curgere tangentiala

Face posibila prelucrarea pieselor cu forme evolutive prin injectarea fluxului de electrolit acolo unde directia acestuia este prependiculara pe directia de avans a electrodului.

DEBAVURARE PRIN ECM numita si

ECD (Electro Chemical Deburing)

In cazul debavurarii se urmareste rotunjirea muchiilor vii rezultate in urma prelucrarilor clasice in special intersectii de gauri si canale pentru a elimina  zonele cu concentrari mari de tensiuni si a imbunatatii curgerea .

Zonele de la capul hidraulic ce se prelucreaza  prin ECM.

Faza 1: Soft Stage

Faza 2: Hard Stage

Tipuri de catozi:

- intersectia a doua canale

- intersecta unui canal cu o suprafata