Obróbka elektroerozyjna (EDM) – elektrodrążenie wgłębne, WEDM i wiercenie EDM

Obróbka elektroerozyjna, nazywana też obróbką EDM (Electrical Discharge Machining) lub po prostu elektrodrążeniem, to technologia usuwania materiału za pomocą wyładowań elektrycznych. W tym artykule wyjaśniamy, na czym polega elektrodrążenie, czym różni się EDM wgłębne od EDM drutowego (WEDM), a kiedy stosuje się wiercenie EDM.

Czym jest obróbka elektroerozyjna (EDM)?

Obróbka elektroerozyjna (EDM – Electrical Discharge Machining) to metoda obróbki metali oparta głównie na wykorzystaniu erozji elektrycznej, towarzyszącej wyładowaniom elektrycznym.

Wykorzystywana jest głównie przy obróbce specjalizowanych części maszyn i innych materiałów trudno skrawalnych, gdyż pozwala na uzyskanie skomplikowanych kształtów, trudnych lub niemożliwych do wykonania obróbką skrawaniem (np. wewnętrzne ostre narożniki lub gwint w materiale hartowanym, czy węgliku).

O przewadze obróbki EDM decyduje więc nie twardość narzędzia, lecz sam mechanizm erozji elektrycznej. Dzięki temu elektrodrążenie pozostaje skuteczne tam, gdzie klasyczna obróbka skrawaniem napotyka barierę w postaci materiału hartowanego, węglika spiekanego albo geometrii, do której nie sposób dotrzeć narzędziem skrawającym – jak wewnętrzne ostre narożniki czy gwint w twardym materiale.

Rodzaje obróbki EDM

Wyróżniamy 3 podstawowe rodzaje obróbki elektroerozyjnej:

• elektrodrążenie wgłębne (EDM wgłębne),
• wycinanie drutem (WEDM), nazywane również EDM drutowym,
• drążenie otworów, czyli wiercenie EDM.

Każda z tych odmian obróbki elektroerozyjnej odpowiada za inny zakres zadań: EDM wgłębne odwzorowuje w materiale kształt elektrody, EDM drutowe wycina kontur wzdłuż zaprogramowanej trajektorii, a wiercenie EDM służy do wykonywania otworów. Łączy je natomiast dokładnie ten sam mechanizm usuwania materiału.

Jak przebiega proces elektrodrążenia?

Sam proces usuwania materiału odbywa w każdym przypadku w ten sam sposób. Elektroda zbliża się do materiału obrabianego na odległość umożliwiającą wyładowanie elektryczne.

W wyniku wyładowania niewielka część materiału ulega wypaleniu i odparowaniu, a efekty spalania są wypłukiwane na zewnątrz bezpośrednio do dielektryka. 

W praktyce oznacza to, że narzędzie nigdy nie dotyka przedmiotu obrabianego. Materiał ubywa punktowo, w miejscu każdego kolejnego wyładowania, a produkty erozji są odprowadzane wraz z dielektrykiem poza strefę obróbki.

Dielektryk w obróbce elektroerozyjnej

Dielektryk – materiał, w którym prąd elektryczny jest bardzo słabo przewodzony. W naszym przypadku dla drążarek wgłębnych dielektrykiem jest syntetyczna nafta /olej lub w przypadku „drutówek” woda demineralizowana.

Rola dielektryka w obróbce EDM jest więc podwójna. Z jednej strony izoluje on elektrodę od materiału i utrzymuje warunki niezbędne do powstania wyładowania, z drugiej – odbiera ciepło, wypłukuje produkty spalania ze szczeliny międzyelektrodowej i dejonizuje układ przed kolejnym impulsem. Dobór dielektryka zależy od typu maszyny: drążarki wgłębne pracują w nafcie syntetycznej lub oleju, a elektrodrążarki drutowe w wodzie demineralizowanej.

EDM wgłębne – elektrodrążenie wgłębne

ELEKTRODRĄŻENIE (EDM) jest sposobem usuwania nadmiaru materiału, w którym na obrabiany detal nie działają żadne siły pochodzące od narzędzia. Narzędzie w ogóle nie wchodzi w kontakt z materiałem.

Istotą jest wytworzenie między narzędziem – elektrodą a przedmiotem obrabianym, wyładowań elektrycznych o  wysokiej częstotliwości.

Proces przypomina nieco wciskanie twardego stempla w miękki materiał, w wyniku czego otrzymujemy odcisk tego stempla. Tyle, że w przypadku EDM wciskany stempel nie dotyka materiału, tylko stopniowo go wypala. Całość tego procesu odbywa się w otoczeniu dialektyka – cieczy przewodzącej, w której zanurzone są elektroda i przedmiot obrabiany. Dielektryk, oprócz izolowania elektrody od materiału, odprowadza ciepło generowane przez wyładowania, wypłukuje produkty spalania i dejonizuje układ.

Elektrody do EDM wgłębnego

Metoda ta polega na drążeniu materiału za pomocą elektrody miedzianej lub grafitowej, która odzwierciedla wymagany kształt elementu drążonego pomniejszony o szczelinę. Same elektrody drążące wykonujemy przy użyciu precyzyjnych obrabiarek CNC oraz elektrodrążarek drutowych.

Elektroda pełni więc w elektrodrążeniu wgłębnym rolę narzędzia, z tą różnicą, że to jej geometria – pomniejszona o szczelinę roboczą – decyduje o kształcie gotowego gniazda. Dokładność wykonania samej elektrody przekłada się wprost na dokładność obróbki EDM, dlatego elektrody przygotowuje się na precyzyjnych obrabiarkach CNC oraz na elektrodrążarkach drutowych.

Parametry obróbki EDM a chropowatość powierzchni (VDI i Ra)

Wydajność i jakość uzyskanej powierzchni zależą od natężenia prądu obróbki, zadanego przez operatora. Kształt elektrody nie ma na to wpływu. 

Poprzez odpowiednie ustawienia parametrów prądu uzyskujemy oczekiwane wartości Ra lub tzw. VDI, jednostki chropowatości powierzchni drążonej. 

Większe natężenie wytwarza większy obszar mikroeksplozji. W efekcie chropowatość finalną można uzyskać przez odpowiednie ustawienie mocy generatora. We współczesnych drążarkach wgłębnych wystarczy ustawić wymagany parametr VDI, a  prąd o odpowiednim natężeniu maszyna dobierze sama. Uzyskanie gładszej powierzchni skutkuje rosnącym czasem obróbki. Parametr VDI można wprost przeliczyć na parametr chropowatości Ra.

Dobór parametrów jest zatem w obróbce EDM wgłębnej kompromisem między jakością powierzchni a czasem pracy maszyny: im niższa zadana chropowatość, tym dłużej trwa drążenie. Operator nie musi jednak dobierać natężenia prądu ręcznie – wystarczy, że wskaże oczekiwaną wartość VDI, którą można wprost przeliczyć na parametr Ra.

Mocowanie i paletyzacja elektrod – systemy EROWA i 3R

Współcześnie przygotowanie elektrod odbywa się najczęściej w dedykowanych oprawach, których mocowania pasują zarówno do uchwytu obróbkowego, jak i uchwytu obrabiarki (tzw. one point) Dzięki temu elektroda, dopóki nie zostanie odkręcona od oprawy, jest jednoznacznie zorientowana względem układu współrzędnych obrabiarki. Jest to ogromna zaleta, ułatwiająca pracę operatorowi i skracająca czas ustawienia. Najbardziej popularne są dwa systemy mocowań: EROWA i 3R.

Zaletą tych systemów jest również możliwość paletowania elektrod i automatyzacji procesu drążenia, co z uwagi na jego czasochłonność, jest bardzo istotne. Możliwa jest wtedy praca obrabiarek 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu.

Powtarzalne mocowanie elektrod skraca czas ustawienia, a paletyzacja pozwala prowadzić obróbkę EDM także poza godzinami pracy obsługi – przez całą dobę, siedem dni w tygodniu.

Zużycie elektrod w obróbce EDM

Warto na koniec wskazać na fakt, że elektrody ulegają zużyciu podczas obróbki. Co prawda spalają się znacznie wolniej niż materiał obrabiany, ale proces ten również zachodzi, tym szybciej im większe natężenie prądu zastosujemy. Dlatego, w przypadku konieczności wykonania dokładnej obróbki, bądź obróbki wielu gniazd w formie wtryskowej, konieczne jest wykonanie kilku elektrod. Najczęściej wykonuje się elektrodę zgrubną, do obróbki objętościowej, z wysokimi parametrami i elektrodę wykańczającą, przy której parametry są znacznie łagodniejsze.

Drążenie zgrubne w EDM wgłębnym – przykład

Przykład drążenia zgrubnego – ustawienie parametrów procesu na dużą szczelinę elektrody co za tym idzie większą ilość wyładowań. W pierwszej fazie obróbka odbywa się tylko w kierunku pionowym, aż do uzyskania głębokości docelowej pomniejszonej o szczelinę elektrody – ma to na celu szybkie osiągnięcie docelowej głębokości drążonego gniazda bez wygładzania ścian i zużycia kształtu elektrody. Następnie maszyna zaczyna drugą fazę procesu – tzw. orbitowanie. Maszyna wykonując boczne ruchy offsetowe – zadeklarowane poprzez podanie szczeliny bocznej – rozbija kształt właśnie o tę wartość wykonując przy tym zadaną gramaturę powierzchni.

Drążenie wykańczające – przykład

Proces wykończenia od początku obejmuje fazę orbitowania elektrody w gnieździe. Maszynę programujemy na małą szczelinę elektrody, ustawienie niskich parametrów i natężenia prądu mające na celu wykończenie gniazda zadaną powierzchnią i najczęściej docelowy kształt.

Osie ruchu w elektrodrążeniu wgłębnym

Drążenie odbywa się po trajektorii w osiach: X, Y, Z, C . Możliwe są trajektorie wprowadzające elektrodę geometrią do gniazda dla drążeń specjalistycznych.

EDM drutowe (wire EDM, WEDM) – wycinanie drutem

WEDM jest odmianą obróbki elektroerozyjnej, umożliwiającej kształtowanie skomplikowanych części, trudnych lub niemożliwych do wykonania innymi metodami, np. obróbką skrawaniem.

Na czym polega proces WEDM?

Proces WEDM polega na usunięciu materiału z przedmiotu obrabianego w wyniku topnienia i odparowania, wywołanego wyładowaniami elektrycznymi zachodzącymi pomiędzy elektrodą a przedmiotem. Kształt przedmiotu formowany jest za pomocą elektrody drutowej o średnicy od 0,02 do 0,5mm, najczęściej wykonanej z mosiądzu, poruszającej się po zaprogramowanej trajektorii kształtu.

W zależności od zakładanej chropowatości powierzchni i dokładności wykonania proces WEDM przebiega w kilku przejściach, począwszy od obróbki zgrubnej po wykończanie i wygładzanie.

Podział obróbki WEDM na kolejne przejścia pozwala pogodzić wydajność z dokładnością: przejście zgrubne odpowiada za usunięcie materiału, a kolejne – za uzyskanie zadanej chropowatości powierzchni i wymiaru.

Drut i dielektryk w obróbce EDM drutowej

Podczas wycinania występuje zużywanie się elektrody roboczej – drutu – przewlekany jest przez detal z prędkością rzędu kilku m/min. Do szczeliny międzyelektrodowej zarówno z dyszy górnej jak i dolnej podawany jest dielektryk o zaprogramowanym ciśnieniu. Przepływająca ciecz izoluje oraz chłodzi drut, zapewnia odpowiednie warunki umożliwiające wyładowania elektryczne, jak również usuwa produkty erozji ze strefy obróbki.

Osie i możliwości nowoczesnych elektrodrążarek drutowych

Drążenie odbywa się w czterech osiach X Y dla dolnej głowicy oraz U V będącym niezależnym układem dla górnej głowicy natomiast oś Z w swojej formie stanowi wysokość detalu ciętego – jest to odległość pomiędzy dyszami podającymi drut w trakcie cięcia.

Nowoczesne „drutówki” potrafią kontrolować jednocześnie do 8 osi, daje im to szerokie spektrum zastosowań nie dostępnych dla innych maszyn. Wykorzystując akcesoryjne wewnętrzne stoły obrotowe dla detalu całkowicie automatyzujemy proces czyniąc go przystępnym pomimo stopnia komplikacji procesu.

Wiercenie EDM – drążenie otworów

Metoda elektrodrążenia wykorzystywana jest do wiercenia otworów, które nie mogą zostać wykonane innymi metodami obróbkowymi. Elektrodrążenie daje możliwość sprawnego wykonania otworów w materiałach metalicznych, w tym węgliku spiekanym i spiekach specjalnych.

Otwory wykonane elektrodrążeniem na specjalnej wiertarce elektroerozyjnej nie charakteryzują się wysoką precyzją i stosowane są najczęściej jako otwory startowe w procesie elektrodrążenia drutowego WEDM. Poza tym tak wykonane otwory mogą służyć jako odpowietrzające bądź doprowadzające płyny w układach smarowania, chłodzenia czy pneumatycznych.

Częstym zastosowaniem jest również usuwanie urwanych w materiale narzędzi , np. gwintowników, wierteł lub frezów.

Wiercenie EDM pełni więc w praktyce dwie role. Przygotowuje otwory startowe pod dalszą obróbkę elektroerozyjną drutową WEDM oraz pozwala wykonać otwory technologiczne tam, gdzie wiertło nie ma szans – w materiałach zbyt twardych do obróbki skrawaniem lub w elementach, z których trzeba usunąć urwane narzędzie.

Zalety obróbki elektroerozyjnej

O wyborze obróbki EDM decyduje najczęściej kilka cech tej technologii:

• brak sił pochodzących od narzędzia – narzędzie w ogóle nie wchodzi w kontakt z materiałem obrabianym,
• możliwość obróbki materiałów trudno skrawalnych, hartowanych, węglików spiekanych i spieków specjalnych,
• uzyskiwanie kształtów trudnych lub niemożliwych do wykonania obróbką skrawaniem, np. wewnętrznych ostrych narożników,
• kontrola chropowatości powierzchni poprzez parametry prądu (VDI, Ra),
• możliwość paletowania elektrod i automatyzacji procesu – praca maszyn 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu.

Zastosowania obróbki EDM

Elektrodrążenie znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie liczy się skomplikowana geometria lub trudny materiał:

• specjalizowane części maszyn i elementy z materiałów trudno skrawalnych,
• formy wtryskowe – drążenie gniazd, w tym obróbka wielu gniazd w jednej formie,
• otwory startowe do dalszego wycinania drutem w technologii WEDM,
• otwory odpowietrzające oraz doprowadzające płyny w układach smarowania, chłodzenia i pneumatycznych,
• usuwanie urwanych w materiale narzędzi, np. gwintowników, wierteł lub frezów.

Elektrodrążarki – sprawdź ofertę obrabiarek do obróbki EDM

Wykorzystanie możliwości, jakie daje obróbka elektroerozyjna, zaczyna się od doboru właściwej maszyny – drążarki wgłębnej, elektrodrążarki drutowej lub wiertarki elektroerozyjnej. Pełną ofertę obrabiarek do elektrodrążenia znajdziesz na naszej stronie internetowej: https://metalteam.pl/oferta/obrabiarki-cnc/elektrodrazenie/. W razie pytań zapraszamy do kontaktu!

Cecha / Parametr	Elektrodrążenie Wgłębne (EDM)	Elektrodrążenie Drutowe (WEDM)	Drążenie Otworów (FASTHOLE / Wiercenie EDM)
Elektroda (Narzędzie)	Wykonana na zamówienie z miedzi lub grafitu (odzwierciedla kształt detalu); ulega powolnemu zużyciu.	Drążenie otworów: 0,07-0,33 srednicy	Elektroda rurkowa / prętowa (do szybkiego drążenia).
Zastosowany Dielektryk	Syntetyczna nafta lub olej (zanurzeniowy).	Woda demineralizowana zanurzeniowo (dodatkowo płukanie gniazda cięcia dyszami pod wysokim ciśnieniem)	Obróbka zanurzeniowa plus płukanie gniazda osią elektrody.
Główne Zastosowanie	Tworzenie wklęsłych kształtów, form wtryskowych, matryc, ostrych narożników oraz cienkich i głębokich żeber.	Wycinanie wykrojników, matryc, narzędzi do cięcia/skrawania oraz elementów o skomplikowanym konturze.	Wykonywanie otworów startowych pod drut (WEDM), kanałów chłodzących/odpowietrzających, usuwanie urwanych narzędzi.
Precyzja i Dokładność	Bardzo wysoka precyzja; kontrolowana chropowatość (parametry Ra / VDI).	Bardzo wysoka precyzja wykonania i dokładność wymiarowa detalu.	Precyzja wykonania jest wysoka lub ultra wysoka w przypadku fast hole. Jest to obróbka technologiczna pomocnicza natomiast bardzo dokładna. Można dodać o mozliwiściach tworzenia elektrodą dyfuzorów kierunkowych pod chłodzenia.
Charakterystyka Procesu	Brak kontaktu fizycznego z materiałem; proces dwufazowy (drążenie zgrubne kierunkowe + orbitowanie wykańczające w osiach X, Y, Z, C + dodatkowe osie A/B i wprowadzenia interpolacyjne do 8 osi).	Praca w osiach XYUVZ + stoły obrotowe A,A/B (do 8 osi)	Szybkie usuwanie materiału wzdłuż osi wiercenia bez kontaktu mechanicznego.

Obróbka EDM – najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Na czym polega obróbka elektroerozyjna?

Obróbka elektroerozyjna polega na usuwaniu materiału w wyniku erozji elektrycznej. Elektroda zbliża się do materiału obrabianego na odległość umożliwiającą wyładowanie elektryczne, a niewielka część materiału ulega wypaleniu i odparowaniu. Produkty spalania są wypłukiwane bezpośrednio do dielektryka.

Czym różni się EDM wgłębne od EDM drutowego (WEDM)?

W EDM wgłębnym narzędziem jest elektroda miedziana lub grafitowa, która odzwierciedla wymagany kształt elementu drążonego pomniejszony o szczelinę. W obróbce WEDM kształt formowany jest elektrodą drutową o średnicy od 0,02 do 0,5 mm, poruszającą się po zaprogramowanej trajektorii.

Jakie materiały można obrabiać metodą EDM?

Obróbka EDM stosowana jest przede wszystkim do materiałów trudno skrawalnych, w tym materiałów hartowanych, węglika spiekanego i spieków specjalnych – czyli tam, gdzie obróbka skrawaniem jest trudna lub niemożliwa.

Jaki dielektryk stosuje się w elektrodrążeniu?

W drążarkach wgłębnych dielektrykiem jest syntetyczna nafta lub olej, natomiast w elektrodrążarkach drutowych – woda demineralizowana.

Czy elektroda zużywa się podczas obróbki EDM?

Tak. Elektrody spalają się znacznie wolniej niż materiał obrabiany, ale proces ten zachodzi tym szybciej, im większe natężenie prądu zastosujemy. Dlatego przy dokładnej obróbce lub obróbce wielu gniazd wykonuje się kilka elektrod – zgrubną i wykańczającą.

Do czego służy wiercenie EDM?

Wiercenie EDM służy do wykonywania otworów, których nie da się wykonać innymi metodami obróbkowymi. Otwory te nie charakteryzują się wysoką precyzją i stosowane są najczęściej jako otwory startowe w procesie WEDM, a także jako otwory odpowietrzające lub doprowadzające płyny.