GORAN CUKOR

KOMBINIRANI POSTUPCI OBRADE ODVAJANJEM ESTICA

RIJEKA, 2011.

2

SADRAJ

1. UVOD ............................................................................................................................... 3

2. OPA POLAZITA U PROCJENI HMP-a ................................................................ 5 2.1. Toplinske interakcije.................................................................................................. 5

2.2. Kemijske i elektrokemijske interakcije...................................................................... 8

2.3. Mehanika interakcija .............................................................................................. 10 2.4. Metodologija analize HMP-a ................................................................................... 10

3. ELEKTRINI KOMBINIRANI PROCESI OBRADE ............................................ 17 3.1. Elektroerozijska obrada potpomognuta ultrazvukom (EDMUS)............................. 17

3.2. Elektrokemijska elektroerozijska (luna) obrada (ECDM / ECAM)....................... 18 3.3. Laserom potpomognuto nagrizanje i ECM.............................................................. 22

3.3.1. Laserom potpomognuto nagrizanje (LAE) .................................................... 23

3.3.2. Elektrokemijska (mikro)obrada potpomognuta laserom (ECML)................. 24

4. ABRAZIVNI KOMBINIRANI PROCESI OBRADE ............................................... 27

4.1. Abrazivno elektrokemijsko bruenje (AECG)......................................................... 28

4.2. Neki abrazivni ultraprecizni postupci zavrne obrade povrine .............................. 32

4.3. Ultrazvuna obrada potpomognuta elektrokemijskom (USMEC)........................... 34 4.4. Abrazivno elektroerozijsko bruenje (AEDG)......................................................... 36

LITERATURA................................................................................................................... 38

3

1. UVOD

Dananja se industrijska proizvodnja suoava s izazovima koje pred nju postavljaju novi, teko obradivi materijali (npr. ultravrsti elici, ilave superslitine, tehnika keramika, kompoziti itd.), strogi konstrukcijski zahtjevi (sloeni oblici, visoka povrinska

kvaliteta, visoka preciznost i minijaturizacija na mikro i nano skali) te trokovi obrade [1].

Novi (napredni) materijali [2] imaju sve vaniju ulogu u modernoj industrijskoj

proizvodnji, osobito u zrakoplovnoj industriji, industriji vozila, industriji strojeva i alata

(posebno u proizvodnji ukovnja i kalupa). Uvelike poboljana toplinska, kemijska i

mehanika svojstva materijala (kao to su poboljana vrstoa, toplinska otpornost, otpornost na troenje te koroziju) koja rezultiraju velikom ekonomskom dobiti industrijske

proizvodnje kroz poboljani rad proizvoda i njegovu konstrukciju, ine konvencionalne postupke obrade odvajanjem estica (tokarenje, blanjanje i dubljenje, buenje, uputanje i razvrtavanje, glodanje, provlaenje, piljenje, bruenje, honanje, lepanje i superfini) nesposobnima ili pak nedovoljno ekonominima za obradu takvih materijala. To je zato to se konvencionalna obrada odvajanjem estica zasniva na uklanjanju vika materijala alatima tvrim od predmeta obrade. Primjerice, polikristalni dijamant (PCD engl. Polycrystalline Diamond), koji je tvrd gotovo kao prirodni dijamant, ne moe se

uinkovito obraivati konvencionalnim postupcima obrade. Jedna od najee koritenih konvencionalnih tehnika je bruenje dijamanta. Da bi se skinuo materijal s PCD sirovca,

dijamantni se sloj brusnog kola mora obnavljati operacijama tokarenja ili oblikovanja

rezne povrine, to rezultira vrlo brzim troenjem brusnog kola jer je G-omjer (omjer

volumena skinutih estica materijala s obratka i volumena istroenosti rezne povrine brusnog kola) od 0,005 do 0,02. Tako je stopa troenja brusnog kola 50 do 200 puta vea od stope skidanja materijala s obratka. Zato je konvencionalno bruenje prikladno samo u

ogranienoj mjeri za proizvodnju PCD profiliranih alata. Visoki trokovi povezani s obradom keramika i kompozita, te oteenja alata koja se javljaju tijekom obrade su glavne zapreke primjeni ovih materijala. Primjerice, trokovi obrade strukturnih keramika (kao to

je silikon nitrid) esto prelaze 50% ukupnih proizvodnih trokova u industriji motora. U nekim se sluajevima sadanje metode obrade ne mogu koristiti, ve su potrebne inovativne tehnike ili modificiranje postojeih.

4

Uz nove materijale, strogi konstrukcijski zahtjevi takoer postavljaju velike probleme pred industrijsku proizvodnju. esto su potrebni kompleksni oblici (kao to su neke osobito tanke sekcije lopatica turbina, sloene upljine u ukovnjima i kalupima, ne-

okrugle, male i zakrivljene rupe), strukture niske krutosti, te mikromehanike komponente s uskim tolerancijama i visokom povrinskom kvalitetom. Konvencionalni su postupci

obrade odvajanjem estica esto neuinkoviti u obradi takvih dijelova. Odgovor ovakvim izazovima je razvoj novih procesa obrade.

Tehnoloko se unapreenje procesa obrade moe postii kombiniranjem razliitih fizikalnih/kemijskih djelovanja na obraivani materijal. Tako se mehaniko djelovanje koje se koristi pri konvencionalnim postupcima skidanja materijala moe kombinirati s

odgovarajuim djelovanjima primijenjenim u nekonvencionalnim postupcima obrade kao to su npr. obrada ultrazvukom (USM engl. Ultrasonic Machining), elektroerozijska

obrada (EDM engl. Electrical Discharge Machining), elektrokemijska obrada (ECM

engl. Electrochemical Machining), obrada laserskim snopom (LBM engl. Laser Beam

Machining) i obrada mlazom plazme (PBM engl. Plasma Beam Machining).

Razlozi za razvijanje kombiniranog (hibridnog) procesa obrade (HMP engl.

Hybrid Machining Process) lee u iskoritavanju kombiniranih tj. meusobno poveanih prednosti, te izbjegavanju ili reduciranju nekih nepovoljnih uinaka koje pri samostalnom koritenju proizvodi svaki od sastavnih procesa [3]. Meudjelovanja razliitih mehanizama obrade sastavnih procesa razlog su mnogo vee proizvodnosti kombinirane obrade od zbroja proizvodnosti svakog od procesa pojedinano (uz pretpostavku istih parametara i karakteristika za relevantne procese). Slini se pozitivni uinci postiu i u svezi potronje energije i zavrne obrade povrina.

5

2. OPA POLAZITA U PROCJENI HMP-a

Mnogi procesi kao to su plastino teenje, mehanika abrazija, zagrijavanje, taljenje, isparavanje, rastvaranje i drugi, mijenjaju i fizikalna/kemijska stanja i svojstva

materijala obratka. Radne karakteristike kombiniranog procesa obrade moraju se znaajno razlikovati od onih koje su karakteristine za komponentne procese kada bi se oni izvodili odvojeno. Primjerice, produktivnost elektrokemijsko elektroerozijske obrade (ECDM

engl. Electrochemical Discharge Machining) koja se sastoji u iskoritavanju elektrinih pranjenja u elektrolitu za skidanje metala je 5 do 50 puta vea od produktivnosti zasebnih procesa ECM ili EDM [4, 5].

Openito postoje dvije kategorije HMP-a:

1. svi konstituirajui procesi su direktno ukljueni u skidanje materijala, te 2. samo jedan od sudjelujuih procesa direktno skida materijal, dok ostali samo

asistiraju u skidanju mijenjajui uvjete obrade u "pozitivnom" smjeru sa stajalita unapreenja sposobnosti obrade.

U obje od ovih kategorija mogu se pojaviti toplinske, kemijske, elektrokemijske,

fotonsko-kemijske i mehanike interakcije s obratkom.

2.1. TOPLINSKE INTERAKCIJE

Obrada laserskim snopom (LBM engl. Laser Beam Machining), obrada

elektronskim snopom (EBM engl. Electron Beam Machining), elektroerozijska obrada

(EDM engl. Electrical Discharge Machining) i obrada mlazom plazme (PBM engl.

Plasma Beam Machining) toplinski su procesi gdje se materijal skida kroz fazne promjene

i to taljenjem i isparavanjem. Dodatno, mnogo se sekundarnih fenomena vezanih za

kvalitetu povrine koji nastaju za vrijeme obrade, kao to su mikro pukotine, formiranje

zone utjecaja topline (ZUT) i pojava pruga, moe takoer dovesti u vezu s toplinskim uincima laserskog snopa, mlaza plazme, elektronskog snopa ili elektrinih pranjenja.

6

Ukoliko je poznata distribucija gustoe snage toplinskog izvora na tretiranu povrinu kao rezultat djelovanja elektrinog pranjenja, lasera, plazme ili elektronskog snopa, moe se odrediti temperaturno polje i konano je mogue proraunati kritinu gustou snage potrebnu za dostizanje zadane temperature u zadanoj toki ili u zadanoj toki u zadanom volumenu materijala u zadanom vremenskom intervalu i (trajanje impulsa). Primjerice, moe se odrediti kritina gustoa snage potrebna za dostizanje temperature taljenja Tm ili temperature vrenja Tb pod normalnim pritiskom na povrini obratka [6].

Za odreivanje gustoe toplinske snage mcq potrebne za postizanje temperature Tm na povrini moe se koristiti jednodimenzionalni model zagrijavanja beskonano malog tijela pomou toplinskog izvora s konstantnim intenzitetom u vremenu [6]:

i

m

i

mmc a

TaTq 886,0

2 , (2.1)

gdje su a i redoslijedno toplinska difuzivnost i koeficijent toplinske vodljivosti materijala obratka.

Kritina vrijednost gustoe toplinske snage evcq koja dovodi do isparavanja, moe se odrediti iz sljedee jednadbe [6]:

i

bevc

aTq , (2.2)

gdje je gustoa materijala obratka.

Vrijeme b potrebno za dostizanje zadane temperature na povrini materijala, na primjer do toke vrelita, poveava se s poveanjem temperature vrenja Tb, koeficijenta toplinske vodljivosti i specifine topline materijala C, a smanjuje s poveanjem gustoe toplinske snage q. Za odreivanje vrijednosti b moe se koristiti izraz izveden iz jednodimenzionalnog modela zagrijavanja beskonano malog tijela:

q

TC bb2 . (2.3)

7

Gornji izrazi (2.1 2.3) mogu se koristiti pri procjenjivanju karakteristika toplinskih

izvora za procese skidanja materijala u EDM, LBM, EBM i PBM.

Otpor materijala obratka mehanikim procesima skidanja pomou rezne otrice ili abraziva (sluajno orijentirane otrice) zavisi o visokoj temperaturi (ispod toke talita) generiranoj u zoni rezanja. Poznato je da krivulje naprezanja, te svojstva teenja i loma materijala izvedena iz pokusa istezanja jako zavise o temperaturi na kojoj je pokus

proveden. Openito, vrstoa se smanjuje i rastezljivost poveava s poveanjem temperature. Prema tome, prilino je logino pretpostaviti da visoke temperature smanjuju sile rezanja i potronju energije, te poveavaju obradivost materijala obratka kod mehanikih procesa obrade odvajanjem estica. Neki su kombinirani procesi razvijeni prema ovoj zamisli, kao npr. laserom potpomognuta ECM i laserom ili plazmom

potpomognuta obrada keramika.

U kemijskim ili elektrokemijskim procesima poveanje temperature dovodi do ubrzavanja kinetikih reakcija na zagrijanim povrinama, kao to su anodno rastvaranje ili katodno taloenje. Utjecaj temperature na stupanj ovih procesa (tj. na gustou struje iL koja odreuje stupanj rastvaranja/taloenja) opisan je sljedeom Arrheniusovom jednadbom:

s

saL TTRT

TEii

000 exp , (2.4)

gdje su T0 i Ts redoslijedno poetna i zavrna (nakon zagrijavanja) temperatura povrine, Ts = Ts T0 je porast temperature, i0 je gustoa struje bez zagrijavanja, tj. za Ts = 0, Ea je aktivacijska energija i R je plinska konstanta. Poveanje gustoe struje (stupnja procesa) kao rezultata toplinske potpore prikazano je na sl. 2.1 [7].

Vrelite

T = 70 K T, K

iL/i0

30-570

Slika 2.1. Utjecaj temperature na gustou struje ECM elektrode [7]

8

Vrijednost iL/i0 prilikom poveanja temperature za T = 70 K, tj. blizu toke vrelita elektrolita ovisi o materijalu obratka. Za elik, bakar itd., omjer iL/i0 se mijenja u rasponu od 30 do 570. Prema tome, lokalno se zagrijavanje laserskom zrakom moe koristiti kao

pomo pri kemijskim ili elektrokemijskim procesima skidanja/taloenja.

2.2. KEMIJSKE I ELEKTROKEMIJSKE INTERAKCIJE

Kemijsko glodanje (CM engl. Chemical Milling), nagrizanje (E engl. Etching),

elektrokemijska obrada (ECM engl. Electrochemical Machining), impulsna elektrokemijska

obrada (PECM engl. Pulse Electrochemical Machining) i elektropoliranje (EP engl.

Electropolishing) su oblikovni i zavrni (fini) procesi koji se temelje na otapanju

materijala.

Kemijsko glodanje je selektivno i kontrolirano skidanje metala kemijskim

djelovanjem. Osobito je korisno za skidanje metala s tankih ploa u svrhu smanjenja teine, a moe se koristiti nakon to su dijelovi oblikovani i toplinski obraeni. Bilo koji metal koji se moe kemijski rastopiti u otopini moe se i kemijski glodati.

Elektrokemijsko oblikovanje i zavrna (fina) obrada zasniva se na kontroliranom

procesu anodnog elektrokemijskog otapanja obratka s katodnim alatom u elektrolitskoj

eliji. Kako je to nemehaniki proces odvajanja metala, ECM je sposobna obraditi bilo koji elektrino provodljivi materijal s visokim uinkom volumnog odvajanja estica nezavisno od njegovih mehanikih svojstava kao to su tvrdoa, elastinost i krhkost.

Oblikovanje elektrokemijskim otapanjem je opisano distribucijom brzine otapanja vn

na povrini anode-obratka:

avn iKv , (2.5)

gdje je Kv elektrokemijski koeficijent obradivosti definiran kao volumen otopljenog

materijala po jedinici elektrinog naboja, a ia je gustoa struje na povrini anode-obratka. Dakle, potpora drugih djelovanja za vrijeme elektrokemijske obrade odreena je njihovim uinkom na Kv i ia.

9

Interakcija kemijskih i elektrokemijskih procesa s drugim procesima odvajanja

estica praena je promjenama mehanikih svojstava povrinskog sloja obratka. Tako je promjena u povrinskoj mikrotvrdoi HV za vrijeme anodnog otapanja ilustrirana dijagramima zavisnosti HV o gustoi struje i na sl. 2.2 [8]. Kao to se moe vidjeti na slici, ak i s relativno malom gustoom struje pojavljuje se znaajno smanjenje HV.

Kemijsko i elektrokemijsko djelovanje mogu takoer utjecati na fizikalne uvjete u zoni obrade. Primjerice, stvaranje plinskih mjehuria za vrijeme elektrokemijske reakcije glavni je faktor elektrinih izbijanja u nekom elektrolitu. Kemijska i elektrokemijska djelovanja mogu kod metala poveati sposobnost radijacijske apsorpcije i na taj nain smanjiti prag radijacijske energije potreban za taljenje i isparavanje za vrijeme laserskog

djelovanja. Dakle, postoji dobar razlog za kombiniranje ovih korisnih uinaka u razliitim procesima obrade.

Slika 2.2. Uinak gustoe struje anodnog otapanja na mikrotvrdou obraivane povrine (elektrolit: vodena otopina NaNO3 50 g/l i NaNO2 10 g/l;

materijal: Armco krivulja 1, 3H13 elik krivulja 2) [8]

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 100

140

240

220

200

180

160

120

1

2

i, A/cm2

HV,

MPa

10

2.3. MEHANIKA INTERAKCIJA

Sve konvencionalne metode rezanja baziraju se na mehanikoj interakciji rezne otrice s materijalom obratka. Mehanike interakcije takoer igraju vane uloge u obradi vodenim mlazom (WJM engl. Water Jet Machining) i obradi ultrazvukom (USM engl.

Ultrasonic Machining). Sloboda kretanja moe se dodati razliitim procesima obrade, to poveava fleksibilnost procesa. Mehanika je potpora toplinskih i/ili elektrokemijskih procesa odvajanja estica bazirana na svojstvima materijala obratka i radnog medija.

Mehanike interakcije mogu unaprijediti radne uvjete u procesu anodnog otapanja to se pripisuje mehanikoj depasivizaciji povrine. Odstranjivanjem tankog sloja oksida i drugih sastojaka s anode pojaava se povrinsko otapanje pa glatkoa obraivane povrine moe biti poveana. Mehanike interakcije mogu poveati uinak obrade (stopu odvajanja materijala), ali mogu ostaviti i znaajna zaostala naprezanja koja mogu biti nepoeljna, dok kemijski procesi mogu zaostala naprezanja umanjiti. Stoga je privlano kombinirati ove korisne uinke u jednom procesu.

Znaajni uinci mehanikog djelovanja mogu se ostvariti pomou ultrazvunih valova. Kavitacije stvorene ultrazvunim vibracijama mogu pojaati karakteristike EDM, ECM i LBM procesa. U ultrazvuno potpomognutom EDM ili LBM buenju uoeno je da akustini valovi i kavitacijski fenomeni poboljavaju ispiranje i odvajanje materijala iz povrinskih kratera. Ova su unapreenja uvjeta procesa znaajna za mikrobuenje i lijebljenje (izrada proreza i utora).

2.4. METODOLOGIJA ANALIZE HMP-a

Gornji kratki opis glavnih interakcija pokazuje vanost kombiniranja razliitih metoda obrade na temelju razliitih vrsta interakcija u svrhu poveanja proizvodnih sposobnosti grube i zavrne (fine) obrade. Tab. 2.1 pokazuje glavne kombinirane procese

obrade koji se razvijaju u svijetu, kao to su:

abrazivno elektrokemijsko bruenje (AECG engl. Abrasive Electrochemical Grinding), (UK, Rusija, Kina, Japan);

11

abrazivno elektrokemijsko honanje (AECH engl. Abrasive Electrochemical Honing), (Rusija, Kina, Njemaka, Poljska);

elektrokemijska luna obrada (ECAM engl. Electrochemical Arc Machining), (UK, Rusija, Poljska);

elektrokemijska elektroerozijska obrada (ECDM engl. Electrochemical Discharge Machining), (Rusija, UK);

abrazivno elektroerozijsko bruenje (AEDG engl. Abrasive Electrical Discharge Grinding), (UK, USA, Rusija, Japan);

abrazivna elektroerozijska obrada umakanjem (AEDMS engl. Abrasive Electrical Disharge Machining Sinking), (Japan);

obrada abrazivnim vodenim mlazom (AWJM engl. Abrasive Water Jet Machining), (USA);

magnetska abrazivna zavrna obrada (MAF engl. Magnetic Abrasive Finishing), (Japan, Rusija, USA);

ultrazvuna obrada potpomognuta elektrokemijskom (USMEC engl. Ultrasonic Machining with Electrochemical Assistance), (Rusija);

elektroerozijska obrada potpomognuta ultrazvukom (EDMUS engl. Electrical Discharge Machining with Ultrasonic Assistance), (Francuska, Japan, USA,

Rusija, Kina);

toplinski potpomognuto tokarenje (topla obrada) kao to je laserom potpomognuto tokarenje (LAT engl. Laser Assisted Turning) i plazmom potpomognuto

tokarenje (PAT engl. Plasma Assisted Turning), (USA, Rusija);

elektrokemijska obrada potpomognuta laserom (ECML engl. Electrochemical Machining with Laser Assistance), (USA, Rusija, UK, Poljska);

laserom potpomognuto nagrizanje (LAE engl. Laser Assisted Etching), (USA, Njemaka):

mehano-kemijsko poliranje (MCP engl. Mechano-Chemical Polishing), (Japan, USA);

obrada elastinom emisijom (EEM engl. Elastic Emission Machining), (Japan) itd.

12

Tablica 2.1. Shema kombiniranja metoda obrade

ED LB EB PB CH EC A T US F

ED EDM ECDM AEDG EDMUS

LB LBM LAE ECML LAT

EB EBM

TO

PLIN

SKI

PB PBM PAT

CH ELB CHM EEM CHP

EC ECAM ECML ECM AECG USMEC

A AEDMS MCP AECH G USG AWJM

T LAT PAT T UAT

US EDMUS UALBM USMEC GUS UAT USM USP

ME

HA

NI

KI

F CHP LAE AWJM USP WJM

Legenda: ED elektroerozija (Electrical Discharge), LB laserski snop (Laser Beam), EB elektronski snop (Electron Beam), PB plazmeni snop (Plasma Beam), CH kemijska (Chemical), EC elektrokemijska

(Electrochemical), A abrazivna (Abrasive), T tokarenje (Turning), US ultrazvuna (Ultrasonic), F protok fluida (Flow)

Svaki se proces obrade (konvencionalni, nekonvencionalni i kombinirani) moe

prikazati "trokutom stanja procesa" (TSP) kao na sl. 2.3. Baza trokuta stanja predstavlja

vrstu interakcije koja moe biti:

toplinska kao rezultat djelovanja elektronskog snopa EB, plazmenog snopa PB, laserskog snopa LB i elektrinih izbijanja ED,

elektrokemijska EC i kemijska CH, te mehanika kao rezultat abrazije A (bruenje i protok abrazivnih zrnaca), rezanja C

(tokarenje, glodanje, buenje, itd.), ultrazvunih valova US i djelovanja protoka fluida F (visokotlani vodeni mlaz, niskotlani mlaz sa suspenzijom, itd.).

Lijeva strana trokuta predstavlja skup nositelja energije koji se koriste za interakcije,

a to su:

fotoni, elektroni, ioni,

13

plazma, abrazivi tj. sluajno orijentirana rezna zrnca, rezne otrice, i mlaz tekuine.

Desna strana trokuta sadri vrste radnog medija:

vrste estice (krutina), elektrolit, fluid, dielektrik, i plin.

INTERAKCIJA

TOPLINSKA MEHANIKA

EB PB LB ED EC CH A C US F

MLAZ FLUIDA

REZNA OTRICA

ABRAZIVNO ZRNCE

PLAZMA

ION

ELEKTRON

FOTON

KRUTINA

PLIN

FLUID

ELEKTROLIT

DIELEKTRIK

RA

DN

I ME

DIJ

NO

SIT

EL

J E

NE

RG

IJE

EDM

Slika 2.3. Trokut stanja procesa (TSP) za elektroerozijsku obradu (EDM)

14

U elektroerozijskoj obradi (EDM) glavna interakcija je toplinska kao rezultat

elektrinih izbijanja (ED), to dovodi do odstranjivanja materijala taljenjem i isparavanjem (vidi podebljanu liniju koja povezuje ED s "krugom procesa" EDM na sl. 2.3). Kao to se

moe vidjeti iz lijeve strane trokuta, za vrijeme elektrinih izbijanja energija akumulirana u impulsnom generatoru prenosi se na obradak i elektrodu-alat preko elektrona i iona u

kanalu plazme (tanke linije od elektrona i iona usmjerene na podebljanu liniju plazma

EDM na sl. 2.3). Za ovaj se proces kao radni medij koristi dielektrik (linija od toke dielektrika na desnoj strani trokuta prema krugu).

Kod kombiniranih procesa temeljenima na EDM, osim glavne interakcije pojavljuje

se i ona od s njom spregnutog postupka. Tako su za npr. abrazivnu elektroerozijsku obradu

umakanjem (AEDMS), kada se slobodna abrazivna zrnca kao to je silicijsko-karbidni prah

dodaju dielektriku, shema principa i TSP prikazani na sl. 2.4.

Glavna toplinska interakcija (podebljana linija) je potpomognuta abrazivno-

mehanikom interakcijom (linija koja povezuje A i krug AEDMS). Sada se energija prenosi plazmom te takoer i abrazivnim zrncima. Radni medij sadri dielektrik i vrste estice, to je pokazano dvjema linijama koje povezuju desnu stranu trokuta stanja s krugom. Pomijeani silikonski prah u dielektriku smanjuje elektrini kapacitet du procijepa izbijanja tako to poveava veliinu procijepa. To rezultira veom disperzijom iskri i poboljanjem karakteristike izbijanja, naroito pri obradi velikih obradaka.

Primjena prahom izmijeanog radnog medija omoguava AEDMS procesu postizanje visoko kvalitetne (zrcalne) zavrne obrade kompliciranih oblika, te ostvarenje

ujednaenog sloja bez napuklina. Tako se AEDMS procesom proizvode dijelovi kojima ne treba naknadno uklanjati oteeni sloj povrine, tj. ne treba ih polirati, pa je ovaj kombinirani proces naao primjenu u izradi kalupa za plastiku i kokila

Ukupni uin skidanja materijala u nekom kombiniranom procesu obrade, koji je kombinacija dva razliita procesa A i B, moe se izraziti kao:

ABQBAQQw , (2.6)

gdje je BAQ uin skidanja materijala procesa A uz pomo procesa B, a ABQ je uin skidanja materijala procesa B uz pomo procesa A.

15

Obino je AQBAQ i ,BQABQ pa je tako ukupni uin skidanja materijala kombiniranom metodom vei od zbroja uina skidanja materijala AQ i ,BQ kada se oba procesa A i B koriste zasebno s istim pojedinanim postavkama parametara.

U mnogim HMP, osim doprinosa od komponentnih procesa, neki dodatni doprinosi

mogu takoer proizai iz interakcije komponentnih procesa:

BAQBQAQQw , (2.7)

gdje je BAQ interakcijski lan.

Obradak

AEDMS

Abrazivna zrnca + dielektrik Alat - elektroda vf

Slika 2.4. Shema AEDMS i TSP

INTERAKCIJA

TOPLINSKA MEHANIKA

EB PB LB ED EC CH A C US F

MLAZ FLUIDA

REZNA OTRICA

ABRAZIVNO ZRNCE

PLAZMA

ION

ELEKTRON

FOTON

KRUTINA

PLIN

FLUID

ELEKTROLIT

DIELEKTRIK

RA

DN

I ME

DIJ

NO

SIT

EL

J E

NE

RG

IJE

AEDMS

16

Obje jednakosti (2.6) i (2.7) prikazuju sinergijski efekt u uinu skidanja materijala kod kombiniranih procesa obrade. Ipak, jednakost (2.6) nije mogue koristiti za izraun, budui da je odreivanje vrijednosti lanova na desnoj strani vrlo sloeno. Za primjenu jednakosti (2.7) potrebno je eksperimentalnim putem odrediti vrijednost .BAQ

17

3. ELEKTRINI KOMBINIRANI PROCESI OBRADE

3.1. ELEKTROEROZIJSKA OBRADA POTPOMOGNUTA ULTRAZVUKOM (EDMUS)

Pri ultrazvuno potpomognutoj EDM obradi, uloga je akustinih valova i kavitacijskih fenomena poboljanje ispiranja i odvajanja materijala iz povrinskih kratera.

Ovi su uvjeti procesa znaajni za mikrobuenje, te izradu proreza i utora. Vibrirajue kretanje alat-elektrode ili obratka poboljava cirkulaciju kae i djelovanje

pumpanja odguravanjem krhotina na stranu i usisavanjem novog svjeeg dielektrika to

osigurava idealne uvjete za elektrina izbijanja i njihovu uinkovitost, te daje vei uin skidanja materijala.

Drugi blagotvorni uinak koji je uoen odnosi se na strukturna modificiranja. Visoko frekventno kretanje alat-elektrode i obratka zbog ultrazvunih valova stvara vie turbulencije i kavitacija, pa stoga rezultira boljim izbacivanjem rastaljenog metala iz

kratera. Ovo, naravno, poveava uin skidanja materijala, ali isto tako dozvoljava i manje tekueg prelivenog sloja na povrini. Tako su strukturna modificiranja minimalna, primjeuje se manje mikropukotina i poveana je otpornost materijala na zamor [9]. Shema principa i TSP za EDMUS prikazani su na sl. 3.1.

Ultrazvuna je potpora osobito prilagoena brzoj proizvodnji grafitnih elektroda za EDM. Udruivanje EDM i USM moe dovesti do znaajnih unapreenja u proizvodnji izradaka sloenih oblika.

18

3.2. ELEKTROKEMIJSKA ELEKTROEROZIJSKA (LUNA) OBRADA (ECDM / ECAM)

Elektrokemijska elektroerozijska obrada (ECDM) koja koristi pulsirajui napon i elektrokemijska luna obrada (ECAM) koja koristi konstantni ili pulsirajui napon kombinirane su metode obrade koje udruuju ECM i EDM.

Slika 3.1. Shema i TSP elektroerozijske obrade potpomognute ultrazvukom (EDMUS)

INTERAKCIJA

TOPLINSKA MEHANIKA

EB PB LB ED EC CH A C US F

MLAZ FLUIDA

REZNA OTRICA

ABRAZIVNO ZRNCE

PLAZMA

ION

ELEKTRON

FOTON

KRUTINA

PLIN

FLUID

ELEKTROLIT

DIELEKTRIK

RA

DN

I ME

DIJ

NO

SIT

EL

J E

NE

RG

IJE

EDMUS

EDMUS

Obradak

Dielektrik Alat - elektroda vf Dielektrik

Obradak

Alat - elektroda vf

19

ECM je proces elektrokemijskog otapanja u kojem je alat katoda, a obradak je anoda

u elektrolitskoj eliji. Najvaniji ECM bazirani procesi su: ECM s kontinuiranom strujom (normalni ECM), ECM s pulsirajuom strujom (PECM), EC bruenje i EC zaglaivanje hrapavosti. ECM se zbiva pri visokoj gustoi struje (veoj od 200 A/cm2), to uzrokuje brzo otapanje anode. ECM je karakterizirana visokim integritetom povrine, poboljanom

kvalitetom zavrne obrade povrine, visokim uinom obrade i odsutnou troenja alat-elektrode. ECM ne mijenja znaajno svojstva materijala obratka, niti ostavlja zaostalo termiko ili mehaniko naprezanje, kao to to ine mnogi drugi nekonvencionalni i konvencionalni postupci obrade. Ali, ECM je izvorno proces koji je teko kontrolirati.

ECM uranjanjem iga oslanja se na iterativni krug pokuaja i pogreaka pri dizajniranju

alata i obraivanju obratka sve dok se ne dostigne eljena tolerancija. U usporedbi s EDM, ECM ima nisku tonost reprodukcije oblika alat-elektrode u

obratku. S druge strane, EDM moe pribaviti visoku kvalitetu zavrne obrade povrine

jedino uz nisku produktivnost. Poveanje EDM uina rezultira znaajno viom hrapavou i dublje oteenim povrinskim slojem. Meutim, smanjenje povrinske hrapavosti vodi poveanom troenju alat-elektrode. Kombinacija ECM i EDM u jedan proces u nekoj elektrolitskoj otopini, nazvana ECDM, pokazala je da sadri prednosti oba procesa, pod

uvjetom da su parametri kombiniranog procesa pravilno odabrani. Sl. 3.2 ilustrira shemu

procesa ECDM uranjanjem i njegov TSP.

Pri kritinim parametrima procesa (u prvom redu pri kritinom naponu Ucr i kritinoj gustoi struje icr), otopina poinje kljuati i isparavati u blizini jedne od elektroda kao rezultat intenzivnog elektrinog zagrijavanja prolazeom strujom. Razvoj plina izazvan elektrokemijskim reakcijama potpomae ove procese. Formira se sloj plinske pare koji

odrava visoki otpor u procijepu. Najvei dio narinutog napona U dolazi u taj sloj. Prvo se dogaa lokalni elektrini proboj sloja (zamjeuje se iskrenje), a zatim dolazi do proboja cijelog meuelektrodnog razmaka. Svaki takav proboj uzrokuje isparavanje i lokalno izbacivanje malih metalnih dijelova u razvodnjeni medij, gdje se oni hlade, skruuju i odnose protokom elektrolita. to je vea energija pojedinanog impulsa, vei je i erozijski krater, tj. vea je produktivnost, ali je slabija zavrna kvaliteta povrine. Pod radnim uvjetima ECDM, u svakom vremenskom trenutku nastaje samo jedan probojni kanal (ili

svega nekoliko, ako ne jedan) na povrini metala. Izbijanja se dogaaju esto, svaki put na novom mjestu (kao pravilo, svako se naredno izbijanje dogaa na mjestu pokraj

20

prethodnog), pa se tako obrauje itavo povrinsko podruje obratka. Budui da se elektrini proboj lokalizira na odreenom mjestu, te se erozija metala deava u mikro povrinskom podruju obratka, na preostalom povrinskom podruju obratka metal se elektrokemijski rastapa [10].

Kao to je prethodno navedeno, kombiniranim procesom postiu se uini skidanja materijala koji mogu biti od 5 do 50 puta vei nego kod samostalnih ECM i EDM procesa [4, 5]. Primjene u kojima se koristi kombinirani oblik oba procesa su buenje rupa,

umakanje iga [11] i rezanje [12]. ECDM/ECAM su posebno uinkoviti kod materijala

Slika 3.2. Shema ECDM / ECAM i TSP

INTERAKCIJA

TOPLINSKA MEHANIKA

EB PB LB ED EC CH A C US F

MLAZ FLUIDA

REZNA OTRICA

ABRAZIVNO ZRNCE

PLAZMA

ION

ELEKTRON

FOTON

KRUTINA

PLIN

FLUID

ELEKTROLIT

DIELEKTRIK

RA

DN

I ME

DIJ

NO

SIT

EL

J E

NE

RG

IJE

ECDM ECAM

Obradak

ECDM / ECAM

Elektrolit Alat - elektroda vf

+

21

vlane vrstoe vee od 1500 N/mm2 i toplinski otpornih slitina. Moe se postii kapacitet obrade reda veliine od 104 mm3/min, tonost od 0,04 0,2 mm i povrinska hrapavost od Ra = 1,25 2,5 m.

Jedno od uinkovitih sredstava poboljanja ECAM tonosti i glatkoe povrine je dodavanje rotirajueg kretanja profiliranoj kota-elektrodi. Kinematika je obrade analogna glodanju, bruenju ili EC bruenju. Shema ECAM postupka s rotirajuom elektrodom (ECAM-RE) prikazana je na sl. 3.3 [13]. Alat-elektroda je spojena na negativni pol, dok je

obradak spojen na pozitivni pol impulsnog generatora ili stalnog izvora istosmjerne struje.

Izmeu elektroda postoji procijep kroz koji protjee elektrolit. Za vrijeme obrade, alat-elektroda je postavljena je na dubinu rezanja g0, dok se obradak pomie posminom brzinom vf (sl. 3.3).

Kod ECAM-RE procesa, podruje obrade je postavljeno u dvije zone: EC s elektrokemijskim otapanjem i zona elektrinog izbijanja ED. Elektrina izbijanja u ED zoni mogu se stvoriti elektrinim probojem sloja plinske pare pare kao i trenutanim kratkim spojevima izmeu elektroda. U oba je sluaja odluujui faktor pojava slojeva plinske pare nastalih uglavnom zagrijavanjem elektrolita do toke vrenja. Zbog uinka elektrinih erozija na obraivanu povrinu u ED zoni se formira veliki broj kratera. Ove povrinske nepravilnosti su podvrgnute elektrokemijskom izglaivanju otapanjem pa se hrapavost smanjuje. Stoga se postie bolja kvaliteta obraene povrine i istovremeno vei

Slika 3.3. Shema ECAM-RE procesa [13]

+ C E

D

g0 g grc

R

E

vf

Elektrolit

U

t

tpp

tp

22

uin skidanja materijala u ECAM-RE nego u ECM-RE ili EDM procesima. Potronja energije je smanjena i opada s poveanjem posmine brzine vf i dubine rezanja g (sl. 3.4) [11, 12]. To je rezultat poveanog doprinosa elektrinih izbijanja skidanju materijala kod veih vrijednosti vf i g, to ima manju potronju specifine energije u usporedbi s ECM procesom.

3.3. LASEROM POTPOMOGNUTO NAGRIZANJE I ECM

Laserom potpomognuto kemijsko nagrizanje i ECM su dobri primjeri kombiniranih

procesa. U normalnoj laserskoj obradi, preciznost obrade je ograniena snanim isparavanjem ili taljenjem, a ponovno taloenje i termika naprezanja se teko mogu izbjei. S druge strane, kemijski procesi imaju prednost stvaranja glatke povrine i ne izazivaju naprezanja pri obradi. Ipak, kemijski procesi pod normalnim uvjetima mogu biti

neuinkoviti. Lasersko zraenje moe se iskoristiti za ubrzavanje takvih procesa. U svim sluajevima, supstrat koji se procesira uronjen je u tekuinu, openito u neki

elektrolit, a galvaniziranje i nagrizanje te pojaanja elektrokemijskog otapanja rezultiraju prije od fototoplinskih mehanizama nego od fotokemijskih mehanizama, pri emu su posljednji najee povezani s poluvodikim materijalima. Laserom pojaani ECM procesi

0 2 4 6 8 10 12 14

700

600

500

400

300

200

100

0

Dubina rezanja, mm

Potro

nja

ene

rgije

, J/m

m3

Slika 3.4. Potronja specifine energije prema dubini rezanja kod ECAM-RE procesa

23

daju i visoke brzine i visoko lokalizirano taloenje ili skidanje materijala. Oni nalaze sve

vaniju ulogu kako zanimanje za mikroproizvodnju nastavlja rasti [14]. Uz laserom

pojaano elektrogalvaniziranje i elektronagrizanje, postoje srodni procesi galvaniziranja i nagrizanja koji ne zahtijevaju nikakve vanjske izvore napona, a openito su klasificirani kao bez elektrodni.

3.3.1. Laserom potpomognuto nagrizanje (LAE)

LAE je fotoreaktivni ili termiko reaktivni proces koji ne koristi masku. Nagrizanje keramika, poluvodikih materijala, metala i visokih polimera u nekom nagrizajuem sredstvu moe se znaajno pospjeiti koritenjem laserskog snopa. Stoga su strojevi za LAE obino sastavljeni od lasera i nekog instrumenta nagrizanja.

Laserom potpomognuto nagrizanje imalo je prvu primjenu u izradi malih rupa u 50

m debelim podlokama od nehrajueg elika koje se koriste za proizvodnju mlaznica promjera 50 m za ink-jet pisae, to je pokazano na sl. 3.5.

Slika 3.5. LAE rupa u 50 m debelom nehrajuem eliku u svrhu formiranja mlaznice za

ink-jet pisae [15]

24

Primjeri praktinih primjera LAE su [16]:

1. Proizvodnja keramika: keramike se lako obrauju uporabom LAE. Keramika se moe nagrizati brzinom od 200 m/s u KOH otopini koristei Nd-YAG lasersku zraku. Ova se metoda primjenjuje u proizvodnji super-vodljivih keramikih ili dijamantnih membrana.

2. Proizvodnja poluvodikih fabrikata: koristei LAE poluvodiki se fabrikati mogu nagrizati 10 do 100 puta bre nego konvencionalnim postupcima.

3. Obrada metala: obino se kombiniraju argonski ionski laser i mokro nagrizanje. 4. Obrada polimera: esto se primjenjuje obrada oksidiranjem koja koristi excimer

laser u atmosferskom kisiku. Postiu se brzine obrade od 1 m po laserskom impulsu za fotorezistentne polimere kao to je poliamid, neke vrste polietilena i sl.

3.3.2. Elektrokemijska (mikro)obrada potpomognuta laserom (ECML)

Laserska aktivacija elektrodnih procesa za vrijeme elektrokemijskog otapanja i/ili

taloenja (elektroformiranje) potrebna je za pojaano lokaliziranje otopljenog/nataloenog materijala u svrhu postizanja bolje tonosti i proizvodnosti na mikro-podrujima koja se obrauju skidanjem (taloenjem). Laserska zraka omoguava ubrzanje elektrokemijskih reakcija za vrijeme nerazarajueg osvjetljavanja metala obradaka.

Lasersko zraenje omoguava ubrzavanje elektrokemijskih reakcija za 10 puta i lokaliziranje obrade na podruju od nekoliko m2 [17, 18, 19, 20]. Kao rezultat kretanja laserske zrake ili obratka prema zadanom programu (sl. 3.6), zahtijevana se slika na

povrini obratka moe dobiti lokaliziranim elektrokemijskim nagrizanjem.

25

Valnu duljinu laserskog zraenja treba odabrati tako da apsorbirana energija u elektrolitskom sloju kroz koji prolazi elektrolit bude minimalna. Zbog toga bi elektrolitski

sloj trebao biti to je mogue tanji. Eksperimenti i matematiko modeliranje te simulacije raunalom pokazuju da se

laserska potpora ECM procesu moe uinkovito koristiti za unapreenje mikroobradnih

+

Laser

Obradak

Alat - elektroda

Alat - elektroda

Elektrolit

ECML

Slika 3.6. Shema ECML i TSP

INTERAKCIJA

TOPLINSKA MEHANIKA

EB PB LB ED EC CH A C US F

MLAZ FLUIDA

REZNA OTRICA

ABRAZIVNO ZRNCE

PLAZMA

ION

ELEKTRON

FOTON

KRUTINA

PLIN

FLUID

ELEKTROLIT

DIELEKTRIK

RA

DN

I ME

DIJ

NO

SIT

EL

J E

NE

RG

IJE

ECML

26

procesa budui da poveava uin skidanja materijala i lokalizaciju anodnog otapanja, osobito kada nastaju pasivizacijski procesi za vrijeme elektrokemijskog otapanja [20]. To

je prikazano sl. 3.7 koja pokazuje razlike u oblicima profila kod ECM i ECML procesa.

Jedan nain daljnjeg poveanja lokalizacije laserskog djelovanja je koritenje

impulsnog zraenja. Poveanje stope protoka elektrolita ima slini uinak. Uputno je koristiti sinkronizirani impulsni napon za impulsnu ECML.

ECML

ECM

0 2 4 6 8 10 12

x, mm

0,00

-0,05

-0,10

-0,15

-0,20

y, m

m

Slika 3.7. Obraeni profili ECM i ECML procesima. Materijal: NC6, elektrolit: 15% NH4NO3, i = 4,4 A/cm2, U = 12 V [20]

27

4. ABRAZIVNI KOMBINIRANI PROCESI OBRADE

Abrazivi se obino koriste i u konvencionalnim i u nekonvencionalnim postupcima obrade. To su tvrda zrnca koja djeluju kao mikro rezai za vrijeme obrade. Mehanika energija moe predstavljati dobro rjeenje za neke probleme kod nekonvencionalnih

postupaka obrade ukoliko se pravilno koristi.

Mana i prednost mehanike obrade je direktan dodir s obratkom i obino nije osjetljiva na elektrina ili kemijska polja. S druge strane, na ECM i EDM procese moe utjecati oksidacijski ili pasivizacijski sloj. Dodavanje abrazivnih zrnaca moe pripomoi proboju pasivizacijskih slojeva i poveati uin obrade. Takoer, abrazivna zrnca koja su u dodiru s povrinom obratka djeluju tako da uklanjaju meki ne reaktivni oksidni sloj u

ECM, pa na taj nain izlau svjei metal daljnjem elektrolitskom djelovanju. Konvencionalna abrazivna obrada pati od prebrzog troenje brusnog kola, dok se u

abrazivnoj elektrinoj obradi (AEM engl. Abrasive Electrical Machining) glavnina obrade obavlja nemehaniki. Zato je uvelike produljena postojanost brusnog kola. Blagodati i konvencionalnih i nekonvencionalnih procesa su tako poveane.

AEM procesi mogu se podijeliti u tri glavne podgrupe:

1. abrazivna elektroerozijska obrada (AEDM engl. Abrasive Electrical Discharge

Machining),

2. abrazivna elektrokemijska obrada (AECM engl. Abrasive Electrochemical

Machining), te

3. abrazivna elektrokemijska elektroerozijska obrada (AECDM engl. Abrasive

Electrochemical Discharge Machining).

Bitni uvjeti pod kojima se izvodi bilo koji proces obrade su vrsta alata i kretanja alata

u odnosu na obradak. Glavne vrste alata za prije spomenute procese su metalne elektrode

koje sadre abrazivna zrnca, npr. brusna kola ili abrazivni tapii s provodljivim vezivnim sredstvom, metalne elektrode i slobodna abrazivna zrnca, te alati sastavljeni od abrazivnih

segmenata i segmentiranih metalnih elektroda.

Zavisno o vrsti alata i radnih kretanja koja se koriste u odreenom procesu, postoje razliite metode kao to je pokazano na sl. 4.1. Abrazivno elektrokemijsko bruenje

28

(AECG engl. Abrasive Electrochemical Grinding), abrazivno elektroerozijsko bruenje

(AEDG engl. Abrasive Electrical Dicharge Grinding) i elektrokemijsko honanje (ECH

engl. Electrochemical Honing) koriste abrazivni alat s metalnim vezivom. Abrazivna

elektrokemijska zavrna obrada (AECF engl. Abrasive Electrochemical Finishing),

abrazivna elektroerozijska zavrna obrada (AEDF engl. Abrasive Electrical Discharge

Finishing), ultrazvuna obrada potpomognuta elektrokemijskom (USMEC engl. Ultrasonic Machining with Electrochemical Assistance), abrazivna elektroerozijska obrada

(AEDM engl. Abrasive Electrical Dicharge Machining) i abrazivna elektromlazna

obrada (AEJM engl. Abrasive Electro-Jet Machining) koriste slobodna abrazivna zrnca.

4.1. ABRAZIVNO ELEKTROKEMIJSKO BRUENJE (AECG)

Elektrokemijsko bruenje abrazivnim alatom s metalnim vezivom (AECG) sastoji se

od kombinacije mehanikih i elektrokemijskih procesa koji djeluju na obradak, to uzrokuje znaajne promjene glavnih karakteristika procesa obrade. Proizvodnost se procesa poveava vie puta, poboljavaju se svojstva povrinskog sloja, dok se troenje alata i potronja energije smanjuju. AECG proces je osobito uinkovit za obradu dijelova od teko obradivih materijala kao to su sinterirani karbidi, slitine otporne na puzanje (npr.

Inconel, Nimonic), slitine titana, metalni kompoziti (npr. PCD-Co, Al-SiC, Al-Al2O3) [5].

Slika 4.1. Prikaz nekih AEM metoda ( A abraziv, D dielektrik, E elektrolit)

AECG, AEDG AECF, AEDF

AECG, AEDG AECF, AEDF EC + H AEJM

E, D

E, D + A

E, D E, D + A E

A

E AEDM

D + A

USMEC

E + A

29

Poboljanje izvedbe AECG procesa rezultat je interakcija izmeu mikrorezanja, elektrokemijskog otapanja, proboja povrinskog oksidacijskog sloja i poboljanog protoka

svjeeg elektrolita kroz procijep izmeu brusnog kola i obratka. Priblino se 90% materijala skida kroz elektrokemijsko djelovanje, a samo 10% mehanikim bruenjem. Zato to se samo mala koliina materijala skida djelovanjem bruenja, postojanost je brusnog kola tipino 10 puta dua od postojanosti u konvencionalnom bruenju. Dodatni faktor koji doprinosi dugoj postojanosti brusnih kola u AECG procesu je smanjeni

kontaktni luk samo djeli brusnog kola direktno dodiruje obradak u usporedbi s konvencionalnim bruenjem zbog procijepa koji se stvara elektrokemijskom obradom.

Shema AECG procesa i TSP u sluaju ravnog povrinskog bruenja prikazani su na sl. 4.2. Unutar podruja obrade mogu se razlikovati sljedee zone: EC zona, gdje prevladava anodno otapanje i G + EC zona, gdje prevladava mikrorezanje. Uee svakog od ova dva mehanizma u procesu skidanja materijala i u stvaranju povrinskog sloja

mijenja se kako se mijenjaju parametri AECG procesa.

Tako npr. ako se mijenja posmina brzina vf, dok se drugi parametri procesa dre konstantnima, pa vf dostigne vrijednost koja je manja od odreene kritine vrijednosti vg, tada mikrorezanje nestaje budui da je pri ovim uvjetima najmanja irina Sn procijepa izmeu radne povrine elektrode ER (vezana povrina brusnog kola) i povrine obratka vea od visine h streih dijelova abrazivnih zrnaca. Stvarna doputena dubina koju treba skinuti, tj. stvarna dubina rezanja ar moe biti znaajno vea od postavljene vrijednosti ae i ona zavisi o anodnom otapanju. Djelovanje abrazivnih zrnaca je ogranieno u svom utjecaju na postojee uvjete u procijepu, a osobito na elektrino polje, transport elektrolita i hidrodinamike uinke na pokraj-anodne granine slojeve.

Poveanje posmine brzine vf rezultira smanjenjem irine procijepa S. Nakon to je dostignuta vrijednost vg, irina procijepa S du odreene duljine 1-2 (sl. 4.2) postaje manja od vrijednosti h, pa posljedino doprinos mikrorezanja procesu skidanja metala raste. Daljnje poveanje posmine brzine vf uzrokuje da irina procijepa ispod osi brusnog kola postane takoer manja od h. U tom se trenutku dubina rezanja pribliava vrijednosti ae, budui da je iza brusnog kola doprinos anodnog otapanja procesu skidanja metala relativno malen. Meutim, treba istai da utjecaj anodnog otapanja na stanje bruenog povrinskog sloja u podruju iza brusnog kola moe biti znaajan, osobito s gledita povrinske hrapavosti Ra.

30

Interakcija elektrokemijskih i kemijskih procesa mijenja uvjete mikrorezanja. Zbog

kemijskih i mehanikih uinaka, mikrotvrdoa HV se na otopljenoj povrini smanjuje, te se pojavljuje plastina deformacija, to dovodi do smanjenja tangencijalnih sila Ft i normalnih sila Fn koje djeluju na pojedinana zrnca. Znatno smanjenje sila rezanja znaajno smanjuje

Slika 4.2. Shema AECG i TSP

INTERAKCIJA

TOPLINSKA MEHANIKA

EB PB LB ED EC CH A C US F

MLAZ FLUIDA

REZNA OTRICA

ABRAZIVNO ZRNCE

PLAZMA

ION

ELEKTRON

FOTON

KRUTINA

PLIN

FLUID

ELEKTROLIT

DIELEKTRIK

RA

DN

I ME

DIJ

NO

SIT

EL

J E

NE

RG

IJE

AECG

AECG

31

troenje abrazivnog materijala i osigurava istaknute utede trokova obrade pri uporabi

skupog dijamantnog brusnog kola.

Mehaniki utjecaj na materijal obratka mijenja uvjete procesa anodnog otapanja. On poveava proizvodnost AECM procesa kao i dimenzijsku tonost te integritet povrine, a smanjuje potronju energije.

Sl. 4.3 prikazuje utjecaj kombiniranih procesa na zavrno obraenu povrinu. Prikazani su rezultati zaglaivanja povrine obratka koji su dobiveni eonim bruenjem uz uporabu slobodnih abraziva (krivulja 2), elektrokemijskim bruenjem bez slobodnih

abraziva (krivulja 1) i abrazivnim elektrokemijskim bruenjem (krivulja 3 za veliinu zrna 2 m i krivulja 4 za veliinu zrna 0,5 m) [22]. Moe se vidjeti da u sluaju elektrokemijskog zaglaivanja najvea visina povrinskih neravnina iznosi Rmax = 0,05 m, tj. isto kao i za poetnu vrijednost, a u sluaju mehanikog bruenja ova se visina smanjuje na Rmax = 0,008 m, dok je kombinacijom oba procesa mogue postii Rmax = 0,006 m. Nakon promjene veliine zrna s 2 m na 0,5 m, u relativno kratkom vremenu od 160 s postie se zrcalna povrina (Rmax = 0,002 m) [22].

Opisani primjer otkriva uinkovitost elektroabrazivnih procesa obrade, ne samo u pogledu poveanja proizvodnosti, ve i njihovog potencijala u podrujima mikrozavrne obrade i nanotehnologije.

1

4

2

3

0 50 100 150 200 250 300 350

Vrijeme, s

0,001

0,010

0,100

R max

, m

Slika 4.3. Maksimalna hrapavost Rmax u zavisnosti o vremenu obrade [22]

32

4.2. NEKI ABRAZIVNI ULTRAPRECIZNI POSTUPCI ZAVRNE OBRADE POVRINE

Tipine karakteristike ultraprecizne tehnologije poliranja koje su razvijene i/ili koritene uglavnom za naprednu poluvodiku tehnologiju navedene su u tab. 4.1. U ovim ultrapreciznim procesnim aplikacijama trai se tonost obrade reda manjeg od 0,1 m. Da bi se jamila tonost veliine, povrinska bi hrapavost trebala biti reda manjeg od 0,01 m i takoer, da bi se dobile takve glatke povrine, povrina materijala trebala bi se obraivati s veliinom jedinice skidanja manjom od 0,001 m. U takvom jednom ekstremno malom jedininom skidanju, kemijske e interakcije u dodiritima obrade igrati jae uloge od mehanikih ili fizikalnih djelovanja, to se jasno vidi iz tab. 4.1 [23].

Tablica 4.1. Tipine karakteristike ultraprecizne tehnologije poliranja [23]

Kada je jedinica skidanja na stvarnim dodirnim tokama izmeu radne povrine i vrha alata velika (priblino 1 m ili vea), skidanje materijala je uzrokovano mehanizmom mehanike deformacije, tj. plastinom deformacijom i/ili krtim lomom. S druge strane, kada se povrina materijala obrauje s jedinicom skidanja manjom od 0,1 m, kemijski uinci igraju jae uloge u mehanizmu skidanja materijala, budui da poveanje u povrinskom podruju zbog smanjenja veliine estice uzrokuje vei doprinos kemijskog djelovanja od mehanikog. To znai da ak i u konvencionalnim mehanikim procesima obrade, kemijske interakcije mogu biti dominantni uzrok skidanja materijala u

ultrapreciznim procesima obrade. Jedan od tipinih primjera ove situacije je obrada

Jedinica skidanja Obradni fenomen Mehanizam obrade

Velika (> 1 m)

Jako ovisi o mehanikim znaajkama materijala (rastezljivost, krtost, itd.)

Mala (< 0,1 m)

Jako ovisi o kemijskim znaajkama na dodiritu obrade (povrinski fenomeni)

Jaka

Mehanika akcija

Slaba Slaba

Kemijska akcija

Jaka

33

elastinom emisijom (EEM engl. Elastic Emission Machining). U ovom EEM procesu, ultrafini abrazivni prah mehaniki bombardira povrinu materijala i elastino izbacuje atome, molekule i/ili grozdove (engl. clusters) s povrine. Poznato je da ak i u ovom mehanikom nainu obrade, uini skidanja znatno zavise o kemijskom afinitetu izmeu materijala obratka i abrazivnog praha [23].

U mehaniko-kemijskom poliranju (MCP engl. Mechanical-Chemical Polishing), koriste se abrazivni prahovi meki od materijala obradaka te koji s njima kemijski

reagiraju. Pri tome se nee pojaviti ni nazubljenost niti ogrebotine abraziva. MCP proces koji koristi meko prakasti abraziv osobito je pogodan za vrlo tvrde materijale, koji se

teko obrauju konvencionalnim procesima poliranja. Novo razvijeni procesi poliranja koriste potporu razliitih fizikalnih polja, kao to su

magnetsko, elektrino i ultrazvuno polje. Sl. 4.4 daje prikaz magnetskog abrazivnog poliranja (MAP engl. Magnetic Abrasive Polishing).

Jako magnetsko polje generirano blizu povrine koju treba obraditi pritie magnetski abraziv na povrinu uzorka, pola u skruenom stanju i pola u labavom stanju. Ovaj je proces primjenjiv ne samo na ravne povrine, ve takoer i na unutarnje i vanjsko oblikovane povrine. Kao primjer, unutarnja povrina cijevi od nehrajueg elika moe se ispolirati na hrapavost Rmax = 0,3 m u nekoliko minuta.).

Slika 4.4. MAP proces [23]

N

S Posmak

Radni stol (feromagnetski)

Obradak

Smjesa magnetskih abraziva

Rotacija

Rotacijski magnetski pol

34

4.3. ULTRAZVUNA OBRADA POTPOMOGNUTA ELEKTROKEMIJSKOM (USMEC)

Ultrazvuna obrada (USM engl. Ultrasonic Machining) je mehaniki proces skidanja materijala koji se koristi za erodiranje rupa i upljina u tvrdim ili krtim obratcima

uporabom oblikovanih alata, visoko frekventnog mehanikog kretanja i abrazivne kae. USM moe uinkovito obraivati sve materijale tvre od 40 HRc, bez obzira da li je materijal elektrini vodi ili izolator. Zbog ogranienja tvrdoom, ultrazvuna je obrada nekih metalnih materijala, kao to su npr. superslitine i slitine titana, vrlo spora i brzo

troenje alata postaje ozbiljan problem [24]. Poboljanje USM izvoenja u obraivanju ovih materijala moe se postii elektrokemijskom potporom (sl. 4.5).

Anodno otapanje elektrino provodljivih materijala praeno je formiranjem krtog oksidnog sloja. Uslijed toga se od abrazivnih zrnaca ne oekuje djelovanje na materijalu obratka, ve uglavnom na krtom oksidnom sloju. Takoer, budui da se oksidni film skida abrazijom, proces otapanja je ubrzan zbog depasivizacije povrine materijala. Tako se

uinkovitost oba procesa poboljava. Brzina je rezanja vea, a troenje alata manje nego u svakom od procesa zasebno. Za anodno otapanje koristi se konstantni napon ili izmjenini napon sinkroniziran s oscilacijama alata. Napon je od 3 15 V u razliitim sluajevima, a gustoa struje je 5 30 A/cm2. Kombinirana metoda ne uzrokuje bono troenje alata. U USMEC, kao i u ECM, tonost raste s poveanjem posmine brzine unutar dozvoljenih granica. Poveanje gustoe struje poveava proizvodnost obrade i smanjuje troenje alat-elektrode, ali smanjuje tonost. Kao primjer, kod obrade WC koritenjem USMEC, kada se posmina brzina poveala 3 do 4 puta, zabiljeeno je 2 do 3 puta manje troenje alata u usporedbi s koritenjem USM s istom postavkom parametara [24]. I ultrazvuna interakcija i anodno otapanje rezultiraju dobrom zavrnom obradom povrine. U zavrnom koraku

operacije, esto se izvodi obrada u reimu slabije struje.

35

Slika 4.5. Shema USMEC i TSP

INTERAKCIJA

TOPLINSKA MEHANIKA

EB PB LB ED EC CH A C US F

MLAZ FLUIDA

REZNA OTRICA

ABRAZIVNO ZRNCE

PLAZMA

ION

ELEKTRON

FOTON

KRUTINA

PLIN

FLUID

ELEKTROLIT

DIELEKTRIK R

AD

NI M

ED

IJ

NO

SIT

EL

J E

NE

RG

IJE

USMEC

USMEC

+A

A

vf

Elektrolit + abrazivi

Obradak

Ala

t (s

onot

roda

)

+

36

4.4. ABRAZIVNO ELEKTROEROZIJSKO BRUENJE (AEDG)

U AEDG procesu, za poveanje produktivnosti koristi se sinergijski interaktivni uinak EDM i bruenja [25, 26, 27, 28]. Doprinos konvencionalnog bruenja i elektroerozijskog bruenja (EDG engl. Electrical Discharge Grinding) AEDG procesu i

njegov TSP prikazani su na sl. 4.6.

Obradak Obradak Obradak

Dielektrik Dielektrik

EDG Bruenje + AEDG =

Impulsni napon

Impulsni napon

Provodljivi ne abrazivni alat Servo

upravljani posmak

Konstantni posmak

Brusni kota Servo

upravljani posmak

Provodljivi brusni kota (s metalnim vezivom)

Slika 4.6. Shema AEDG i TSP

INTERAKCIJA

TOPLINSKA MEHANIKA

EB PB LB ED EC CH A C US F

MLAZ FLUIDA

REZNA OTRICA

ABRAZIVNO ZRNCE

PLAZMA

ION

ELEKTRON

FOTON

KRUTINA

PLIN

FLUID

ELEKTROLIT

DIELEKTRIK

RA

DN

I ME

DIJ

NO

SIT

EL

J E

NE

RG

IJE

AEDG

37

Metalna ili grafitna elektroda koje se koriste u EDG procesu su u AEDG procesu

zamijenjene brusnim kolom s metalnim vezivom. Otuda postoji kombinacija elektroerozije

i postupka mikrorezanja zajedno s mehanikim uinkom utjecaja abrazivnih zrnaca. Porast pokazatelja performanse procesa obrade postaje evidentan prilikom obrade super tvrdih

materijala (ploe sa sintetikim dijamantom PCD), inenjerske keramike, sinteriranih karbida i metalnih kompozita.

Osim gore spomenutih uinaka, elektrini izboji uzrokuju osjetan pad sila bruenja, smanjuju troenje brusnog kola i pruaju uinkovit nain ponovnog otrenja brusnog kola za vrijeme procesa obrade. Treba primijetiti da se elektroerozijski proces moe primijeniti

za profiliranje super tvrdih brusnih kola s metalnim vezivom.

38

LITERATURA

[1] www.columbia.edu/cu/mechanical/mrl/ntm/CrossProcess/CrossProcessindex.htm

[2] FILETIN, T.: Neki trendovi razvoja i primjene materijala, poglavlje u knjizi

Materijali i tehnologijski razvoj (urednik Filetin, T.), Akademija tehnikih znanosti Hrvatske, Zagreb, 2002, pp. 3-23.

[3] RAJURKAR, K. P., ZHU, D. McGEOUGH, J. A., KOZAK, J., DE SILVA, A.: New

Developments in Electro-Chemical Machining. Annals of the CIRP, 1999, vol. 48/2,

pp.569-579.

[4] McGEOUGH, J. A., KHAYRY, A. U., MUNRO, W.: Theoretical and Experimental

Investigation of the Relative Effects of Spark Erosion and Electrochemical

Dissolution in Electrochemical Arc Machining. Annals of the CIRP, 1983, vol. 32/1,

pp.113-116.

[5] ISAKOVA, R. B., MOROZ, I. I.: Electrochemical Discharge Machining. Proceedings

Conf. on "ECHO-69", Tula, 1969, pp.75-79.

[6] RYKALIN, N., UGLOV, A., KOKORA, A.: Laser Machining and Welding. 1975,

Pergamon Press Mir Publisher.

[7] KOZAK, J.: Laser Activation of Electrode Processes in Electrochemical Shaping.

Transaction of the Scientific School on Nontraditional Machining, 1998, vol. 4, pp.

83-88.

[8] KOTLAR, A. M., SZCZERBAK, M. V.: Experimental Investigations of Abrasive

Electrochemical Grinding. Elektronnaja Obrabotka Materialov, 1974, no. 4, pp. 29-32.

[9] KRAMER, D., LEBRUN, B., MOISAN, A.: Effects of Ultrasonic Vibrations on the

Performances in EDM. Annals of the CIRP, 1989, vol. 38/1, pp. 199-202.

[10] DAVYDOV, A. D., KOZAK, J.: Physico-Chemical Principles of Electrochemical

Discharge Machining. Elektronnaja Obrabotka Materialov (Surface Engineering and

Applied Electrochemistry edit. USA), 1991, pp.3-13.

[11] DE SILVA, A., McGEOUGH, J. A.: The Production of Full Die Shapes by

Electrochemical Arc/Electrochemical Machining. Proceedings of the ISEM-9,

Nagoya, 1989, pp.107-110.

[12] KOZAK, J., PRUSAK, M.: Electrochemical Arc Cutting. Proceedings of the ISEM-9,

Nagoya, 1989, pp.103-106.

39

[13] KOZAK, J., RAJURKAR, K. P.: Investigation of Electrochemical Arc Machining

with Rotating Electrode. Proceedings of the ISEM-10, Magdeburg, 1989, pp.498-509.

[14] VON GUTFELD, R. J., SHEPARD, K. G.: Electrochemical Microfabrication by

Laser-Enhanced Photothermal Processes. IBM Journal of Research and

Development, 1998, vol. 42, no. 5, pp. 639-653.

[15] VON GUTFELD, R. J., ACOSTA, R. E., ROMANKIW, L. T.: Laser-Enhanced

Plating and Etching: Mechanism and Application. IBM Journal of Research and

Development, 1982, vol. 26, no. 2, pp. 136-144.

[16] FUJIMASA, I.: Micromachines. A New Era in Mechanical Engineering. 1996,

Oxford University Press.

[17] DATTA, M.: Microfabrication by Electrochemical Metal Removal. IBM Journal of

Research and Development, 1998, vol. 42, no. 5, pp. 655-669.

[18] DIKUSAR, A. I., ENGELHARDT, G. R., MOLIN, A. N.: Thermokinetic Phenomena

in High Rate Electrode Processes. 1989, Shtintsa.

[19] DAVYDOV, A. D.: Laser Electrochemical Machining of Metals. Russian Journal of

Electrochemistry, 1994, vol. 30, no.8, pp. 871-881.

[20] KOZAK J., DABROWSKI, L., ROZENEK, M., ZAWORA, J.: Investigations of the

Effects of Laser Radiation on Electrochemical Shaping Process. Transaction of WUT

New Technologies, 1999, vol. 2, (in Polish).

[21] KOZAK, J.: Selected Problems of Hybrid Electro-Mechanical Machining. Archives

of Mechanical Technology and Automatization, 1996, vol.16, pp. 59-65, (in Polish).

[22] KAMADA, H., TAMIYA, K.: A Study on Electrolytic-Abrasive Mirror Finishing.

Bull. Japan Soc. of Precising Engineering, 1982, vol. 16, no.2, pp. 109-110.

[23] YASUNAGA, N.: Recent Advances in Ultraprecision Surface Finishing Technologies

in Japan. Proceedings of the International Symposium on Advances in Abrasive

Technology, 1997, Sydney, pp. 18-27.

[24] MARKOV, A. I.: Ultrasonic Machining of Intractable Materials. 1966, London Iliffe

Books LTD.

[25] RAJURKAR, K. P., WEI, B., KOZAK, J., NOOKA, S. R.: Abrasive Electrodischarge

Grinding of Advanced Materials, Proceeding of Int. Symposium Electro-Machining

ISEM-11, 1995, pp. 863-869.

40

[26] RAJURKAR, K. P., GHODKE, D.: Abrasive Electricodischarge Grinding of Silicon

Nitride. Proceedings of the ISEM-12, 1998, Aachen, pp. 475-484.

[27] SHRIVASTAVA, S., RAJURKAR, K. P., ZHAO, W. S.: Rotary Electrodischarge

Machining of Polycristalline Diamond. Transaction of the NAMRI/SME, 1999, vol.

27, pp. 141-146.

[28] KOZAK, J.: Abrasive Electrical Discharge Grinding. Proceeding of the 20th Scientific

Symposium on Abrasive Machining, 1997, Pozna-Baejewko, pp. 231-239, (in Polish).