Hoe werkt EDM-bewerking? Vonkbrug, diëlektrische en ontladingsfysica

Een binnenhoek van 0,3 mm aan de onderkant van een 58 HRC H13-wisselplaat is het punt waarop frezen geen optie meer is. De hoekradius is kleiner dan die van welke praktische frees dan ook, het materiaal doodt een hardmetalen punt in één keer en het kenmerk zit te diep om door een gereedschapshouder te bereiken. Dat is het werk waarvoor elektrische ontladingsmachines zijn gebouwd.

Het korte antwoord op hoe EDM-bewerking werkt: het verwijdert metaal met gecontroleerde elektrische vonken in plaats van met snijkracht. Een gevormde elektrode wordt door een bad met diëlektrische vloeistof naar het werkstuk gevoerd, een gepulseerde spanning breekt de vloeistof af over een opening van een paar honderdsten van een millimeter, en elke ontlading smelt en verdampt een microscopisch kleine krater van metaal. De elektrode raakt het onderdeel nooit.

Omdat materiaal thermisch wordt verwijderd in plaats van mechanisch, doet de hardheid van het werkstuk er niet meer toe en wordt elektrische geleidbaarheid een vereiste. Wat volgt is het mechanisme in detail, de systemen die het stabiel houden, en de praktische cijfers die beslissen of EDM het juiste proces is voor een bepaalde functie.

Wat er feitelijk gebeurt in de vonkbrug

De kloof is het hele proces. Bij het afwerken is de diameter doorgaans 0,01 tot 0,05 mm; bij zwaar voorbewerken kan de opening opengaan tot ongeveer 0,1 mm. Die ruimte is gevuld met diëlektrische vloeistof, die de elektrode isoleert van het werkstuk totdat de generator anders beslist.

Wanneer een puls wordt toegepast, stijgt de spanning totdat de vloeistof deze niet langer kan vasthouden. Er vormt zich een plasmakanaal over het smalste punt van de opening, er vloeit stroom en de plaatselijke temperatuur bereikt ongeveer 8.000 tot 12.000 graden Celsius, heet genoeg om het werkstukoppervlak te smelten en gedeeltelijk te verdampen. De puls duurt microseconden. Wanneer het wordt uitgeschakeld, stort het kanaal in, implodeert het gesmolten bad en gooit het grootste deel van zijn materiaal in de vloeistof, en het diëlektricum voert het vuil weg.

Dan gebeurt het opnieuw. Afhankelijk van de generator kan een machine enkele duizenden tot enkele honderdduizenden ontladingen per seconde produceren, waarbij elk een krater van enkele microns diep uitsnijdt. Het servosysteem voedt de elektrode naar voren om de opening constant te houden: te dichtbij en de ontlading verandert in een schadelijke boog, te ver en er vormt zich helemaal geen vonk.

Eén detail valt mensen op. Op een zinkzinkmachine is de elektrode een gevormd blok koper of grafiet; op een draadmachine is het een bewegende koperdraad. De fysica wordt gedeeld, de gereedschappen en de toepassingen niet, en het is de moeite waard om het verschil te regelen voordat je een machine specificeert. Een vergelijking van zinklood-EDM versus draad-EDM covers waar iedereen zijn brood verdient.

De systemen die een ontlading stabiel houden

Elke EDM-machine, van een handmatige ZNC tot een volledig programmeerbare zinklood, wordt uit dezelfde bouwstenen samengesteld. Als een van hen wordt overtroffen, kunnen de anderen dit niet compenseren.

Eén ontladingscyclus, stap voor stap

Door het volgen van een enkele puls is het gedrag op het bedieningsscherm beter leesbaar.

1. De servo beweegt de elektrode voort totdat de opening ongeveer de breedte van een mensenhaar heeft.
2. De generator verhoogt de spanning over de opening; het diëlektricum houdt het tegen totdat het kapot gaat.
3. Er vormt zich een plasmakanaal en de stroom stijgt in microseconden naar de geprogrammeerde piekwaarde.
4. Het oppervlak onder het kanaal smelt en verdampt gedeeltelijk, waardoor een krater achterblijft.
5. De puls eindigt, het kanaal stort in en de krater implodeert, waardoor gesmolten metaal in de vloeistof wordt geworpen.
6. Doorspoelen voert het vuil naar buiten en vers diëlektricum stroomt naar binnen.
7. Stappen twee tot en met zes worden duizenden keren per seconde herhaald terwijl de CNC rond de elektrode draait om de holte schoon te vegen.

Hardheid is niet relevant, geleidbaarheid niet

Zonder dat er snijkracht nodig is, bewerkt EDM een 62 HRC-matrijsstaal, gecementeerd carbide en Inconel met dezelfde elektrode en dezelfde armatuur. Er is geen doorbuiging van het gereedschap, geen verharding van het werk, geen klapperen, en dunne ribben buigen niet weg van de snede. De enige harde vereiste is dat het werkstuk elektriciteit geleidt.

Elektrodemateriaal volgt de tegenovergestelde logica. Koper bevat fijne details en slijt langzaam bij lage stromen. Daarom domineert het de afwerking van gedetailleerde holtes. Grafiet verwijdert bij hoge stroom meer materiaal per minuut en is veel gemakkelijker te bewerken tot grote, complexe vormen, maar laat een grover oppervlak achter en slijt sneller aan de scherpe randen die een holte definiëren.

Hoekslijtage is het detail dat stilletjes geld kost. Een elektrode slijt op de hoeken meerdere keren sneller dan op de platte vlakken, dus een holte die bij de eerste passage correct meet, raakt buiten de tolerantie naarmate de elektrode ronder wordt. Dat is de reden dat de elektroden ondermaats worden gesneden om rekening te houden met de vonkbrug en de slijtage, en waarom een ​​tweede afwerkingselektrode vaak goedkoper is dan een afgedankte mal.

Van ruw tot spiegel: hoe elke pas de afwerking verandert

Geen enkele holte wordt in één keer bewerkt. De eerste elektrode voert de zware verwijdering uit met een hoge stroomsterkte en een lange ontladingsduur, waardoor een mat oppervlak met putjes overblijft. Bij latere passages wordt dezelfde elektrode gebruikt met een steeds lagere stroomsterkte en een kortere aan-tijd, zodat elke vonk een ondiepere krater bovenop de vorige kerft en de ruwheid stap voor stap afneemt.

Er volgen twee gevolgen. Ten eerste neemt de verwijderingssnelheid af naarmate de afwerking verbetert, dus een spiegelafwerking op een grote caviteit duurt uren in plaats van minuten en is dienovereenkomstig geprijsd. Ten tweede moeten de laatste passages de beschadigde laag verwijderen die is achtergelaten door de voorgaande passages: de herschikte of witte laag is doorgaans enkele microns tot enkele tientallen microns dik, en op een matrijs die wordt gepolijst moet deze loskomen in plaats van rondgeduwd te worden.

De volgorde die de meeste gereedschapskamers gebruiken is drie tot vijf passages met afnemende stroom, waardoor een graad fijner eindigt dan de tekening vereist als de holte daarna met de hand wordt gepolijst.

Waar EDM wint en waar het verliest

EDM is langzaam bij het verwijderen van grote hoeveelheden en onverslaanbaar bij het detailleren. Processelectie komt meestal neer op een korte lijst met criteria.

De regel die de meeste gereedschapskamers volgen is eenvoudig: frees alles wat een frees kan bereiken en verbrand dan wat er overblijft, hoeken, diepe ribben, scherpe interne randen en elk kenmerk van gehard staal.

ZNC, PNC en CNC: wat het controleniveau u koopt

Het prijsverschil tussen EDM-machines zit in het besturingssysteem, niet in de tank. Een ZNC-machine heeft alleen servobesturing op de Z-as: X en Y worden met de hand gepositioneerd en elke passage is een eenvoudige neerwaartse beweging met terugtrekking. Het is goedkoop, robuust en nog steeds het juiste antwoord voor werk met één caviteit met een gevormde elektrode.

Een PNC-machine voegt programmeerbare Z-ascycli, meertraps terugtrekken en opgeslagen diepten toe, waardoor de insteltijd wordt verkort en het spoelen bij dieper werk wordt verbeterd. Volledige CNC voegt servobesturing toe op X, Y en vaak C, zodat de elektrode kan ronddraaien, vegen en spiraalsgewijs draaien. Dezelfde elektrode snijdt verschillende maten door de baanradius te veranderen, het spoelen kan automatisch worden verplaatst en verschillende holtes blijven onbeheerd.

Over het hele bereik zijn deze drie bedieningsniveaus opgesplitst op basis van de grootte van de werktafel, maar ook op basis van de elektronica, en de zinkvonkvonkmachines zijn precies langs die lijnen gegroepeerd.

Een compact voorbeeld van het volledig programmeerbare uiteinde is de CNC-450, een kleine tafelmachine die nog steeds orbit- en multi-pass afwerking mogelijk maakt, wat normaal gesproken voldoende is voor wisselplaatwerk en kleine mallen met meerdere holtes.

CNC 450 EDM-zinkmachine Compacte CNC-gestuurde zinkvonkvonken met optionele Panasonic servo-elektriciteitskast, gepresenteerd voor wisselplaatwerk en kleine mallen met meerdere holtes. Bekijk Product →

De machine afstemmen op het werk, en niet andersom

Drie cijfers bepalen of een opgegeven klus daadwerkelijk past: de verplaatsing van de werktafel, de afmetingen van de werktank en het maximale elektrodegewicht. Reizen stelt de grootste holte in die u kunt positioneren, de tank stelt het grootste werkstuk in dat u kunt onderdompelen, en het elektrodegewicht bepaalt hoe zwaar een grafietplano de kop kan dragen zonder de controle over de opening te verliezen.

Ruwstroom is de tweede valstrik. Een grote generator op een kleine machine is geen pré. Zwaar voorbewerken met een grote elektrode heeft een spoelvolume nodig dat een compacte tank niet kan leveren, zodat de machine uiteindelijk ver onder de nominale stroom draait om boogvorming te voorkomen, wat betekent dat u betaald heeft voor mogelijkheden die u niet kunt gebruiken.

In de praktijk kan een middelgrote machine het meeste plaatwerk uitvoeren: de CNC-650 combineert bijvoorbeeld een grotere tafel en tank met een generator die daar op past, wat de configuratie is die voorbewerkingsstroom, spoeling en servorespons in balans houdt.

CNC 650 EDM-zinkmachine Middelgrote CNC-zinkvonkvonkvonken met optionele Panasonic servo-elektriciteitskast, die voorbewerkingsstroom, spoeling en servorespons in evenwicht brengt voor vormplaatwerk. Bekijk Product →

Diepe holtes en grote mallen: de echte limiet

Diepe holtes leggen de echte grens van EDM bloot, namelijk het afvoeren van puin. Naarmate de diepte toeneemt, krimpt het spoelgebied ten opzichte van het spleetvolume, blijven koolstofdeeltjes gevangen en wordt de ontlading onstabiel, ongeacht hoe de generator is ingesteld. Doorspoelen van de elektrode, periodiek terugtrekken van de elektrode en minder stroom laten lopen dan de machine theoretisch kan leveren, zijn de standaard tegenmaatregelen.

Bij groot werk, zoals matrijsbodems, matrijsblokken en diepe ribben, wordt het praktische plafond bepaald door Z-slag, tankgrootte en machinestijfheid in plaats van door piekstroom. Machines in deze klasse worden daarom gespecificeerd rond structuur en spoellogistiek. Voor precies dat soort werk bestaat er een model als de CNC-1260, met een aanzienlijk grotere tafel en tank.

CNC 1260 EDM zinkzinkmachine Grote CNC zinkvonkvonken voor matrijsbodems, matrijsblokken en diepe ribben, waarbij Z-verplaatsing, tankgrootte en stijfheid het werkplafond bepalen. Bekijk Product →

EDM-bewerking: veelgestelde vragen