Teknik Makale EN - TR

Electrical discharge machining with ultralow discharge energy

Abstract

The possibility of electrical discharge machining (EDM) with ultralow discharge energy has been investigated. EDM using an RC discharge circuit was performed at low open-circuit voltages and a capacitance of approximately 30 pF. Workpieces were ultrasonically vibrated to remove debris and bubbles from the discharge gap, thus preventing short-circuiting. The machining proceeded at voltages lower than 15V at a vibration amplitude of 0.4 m. The maximum discharge energy per pulse is as small as approximately 3 nJ under these conditions. The volumetric electrode wear ratio can be 0.2% at voltages lower than 40V, while it is normally more than 1% for EDM using an RC discharge circuit.Workpiece surfaces processed at voltages of 20V or lower are smooth and free of observable discharge craters, and show no typical features of surfaces machined by EDM.

© 2006 Published by Elsevier Inc.

1. Introduction

Electrical discharge machining (EDM) can process hard materials, and the machining force exerted on workpieces is much lower than that in mechanical machining processes, because its material removal mechanism is based on melting

and vaporizing material with the heat generated by electrical discharge. These features allow EDM to be widely applicable for fabricating microshapes of various industrial materials under machining conditions where the unit removal per discharge is small to obtain high machining accuracy. Since short discharge

pulse duration and lowdischarge energy are necessary for a small unit removal per discharge, an RC discharge circuit, in which very short discharge pulse duration can be realized, is generally employed for such fabrication. In this type of circuit, the maximum discharge energy per pulse is (1/2)CE2, where C and E represent the circuit’s capacitance and open-circuit voltage, respectively [1]. E must be lowered to reduce the energy because C cannot be smaller than the stray capacitance of the machine used. It has been said that EDM does not proceed at open-circuit voltages lower than approximately 30V [2], implying that the minimum E is such a value. One of the authors has reported that machining proceeded at voltages lower than 30V [3]. EDM of microholes in copper was possible at a very low open-circuit voltage of 2V, although the penetration rate of the electrode was very low. However, with the capacitance being 10 F, the discharge energy in this drilling was too high for micromachining. The processed surface was rough with large discharge craters. Furthermore, EDM with the machine’s stray capacitance did not proceed at voltages lower than approximately 30V. One of the possible reasons why EDM does not proceed at open-circuit voltages lower than 30V with the stray capacitance is that the discharge energy is so low that material is neither melted nor vaporized. If so, machining never proceeds with any strategy other than increasing the discharge energy. Another possible reason is that debris and gaseous bubbles are not removed from the discharge gap between the electrode and workpiece because it is narrow due to the low voltage. These contaminants collecting in the gap cause short-circuiting or dc arcing, preventing machining from proceeding. If this reason is true, EDM may

proceed if debris and bubbles are properly removed. There are many measures for that purpose: for example, assistance of ultrasonic vibration, electrode rotation, internal or external flushing and jump flushing. Of these methods, internal flushing cannot be applied to thin electrodes used for fabricating microshapes. External flushing causes vibration on such small-diameter electrodes [4]. Ultrasonic vibration and electrode rotation are good selections for thin electrodes. EDM with ultrasonic vibration has been performed in many studies so far; most of the recent

studies have focused on drilling microholes [5–7]. Although the methods differ in what is vibrated – electrode, workpiece or machining fluid – all results showed that the material removal rate increased owing to vibration expelling debris and bubbles from the discharge gap. Electrode rotation also has the same effect. This increase in the material removal rate suggests that, by applying ultrasonic vibration, it would be possible to carry out EDM with lower discharge energy at lower voltages. In the present study, therefore, we examined the possibility of EDM with ultralow discharge energy, which is realized by adopting open-circuit voltages lower than 30V and a capacitance equal to the machine’s stray capacitance while the workpiece is ultrasonically vibrated and the electrode rotated.

Çok düşük boşaltım enerjisi olan elektrik boşaltımlı işleme

­­­­­­­­­­­­­­­Özet:

 Düşük boşaltım enerjisi olan elektrik boşaltımlı işleme(EDM) olasılığı araştırılmıştır. Direnç-sığa boşaltım devresinden yararlanan EDM, düşük açık-devre gerilimlerde ve yaklaşık 30 pF lik bir sığayla uygulanmıştır. Boşaltım aralığından döküntülerin ve baloncukların çıkarılması ve böylece kısa devre olmasının önlenmesi için, iş parçaları ultrasonik vibrasyona maruz bırakıldı. İşleme, 0.4 um vibrasyon şiddetinde 15 Volttan daha düşük gerilimlerde sürdürüldü. Vurum başına maksimum boşaltım enerjisi, bu koşullar altında yaklaşık 3 nJ gibi küçük bir değerdir. 40 Voltun altındaki gerilimlerde elektrotun hacimsel aşınma oranı % 0.2 olabilmektedir, fakat bu değer normalde Direnç-sığa boşaltım devresi kullanan EDM için %1’den daha fazladır. 20 Volt veya daha düşük bir değerdeki gerilimlerde işlenen iş parçalarının yüzeyleri pürüzsüzdür ve gözle görülür boşaltım oyukları yoktur ve EDM tarafından işlenen yüzeylerde görülen tipik özelliklerin hiçbiri görülmemektedir.

1    Giriş

Elektrik boşaltımlı işleme(EDM), sert malzemeleri işleyebilmektedir ve iş parçaları üzerinde sarf edilen işleme kuvveti mekanik işleme süreçlerindekilerden çok daha düşüktür, çünkü bunun malzeme çıkarma mekanizması elektrik boşaltımı tarafından yaratılan ısı ile malzemenin eritilmesine ve buharlaştırılmasına dayalıdır. Bu özellikler, EDM’nin, boşaltım vasıtasıyla ünite temizlemenin yüksek işleme doğruluğu elde etmek için küçük olduğu işleme koşulları altında çeşitli endüstriyel malzemelerin mikroşekillerinin üretilmesi amacıyla çok yaygın bir şekilde kullanılmasını sağlamaktadır. Kısa bir boşaltım vurum süresi ve düşük boşaltım enerjisi boşaltım vasıtasıyla küçük bir ünitenin temizlenmesi için yeterli olduğundan, bu tür bir üretim için genellikle çok kısa bir boşaltım vurum süresinin gerçekleştirildiği Direnç-Sığa boşaltım devresi kullanılmaktadır. Bu tür bir devrede, vurum başına maksimum boşaltım enerjisi (1/2)CE2’dir buradaki C ve E sırasıyla devrenin sığasını ve açık devre gerilimini temsil etmektedir. Enerjinin düşürülmesi için E’nin düşürülmesi gerekmektedir, çünkü C kullanılan makinenin kaçak sığasından daha küçük olamaz. EDM’nin yaklaşık 30 Volttan daha düşük açık devre gerilimlerde sürdürülemediğini söylenmiştir, bu da minimum E’nin bu tür bir değer olduğunu göstermektedir. Yazarlardan biri, işlemenin 30 Voltun altındaki gerilimlerde yürütüldüğünü rapor etmiştir. Elektrotun girim hızı çok düşük olmasına rağmen, bakırdaki mikrodeliklere yönelik EDM, 2 V gibi çok düşük açık devre geriliminde gerçekleştirilmiştir. Ancak, 10 uF sığayla, bu delikteki boşaltım enerjisi mikroişleme için çok yüksekti. İşlenen yüzey, büyük boşaltım oyukların olduğu pürüzlü bir yüzeydi. Dahası, makinenin kaçak sığası ile yapılan EDM, yaklaşık 30 Voltun altında olan gerilimlerde sürdürülemedi.

EDM’nin kaçak sığa ile birlikte 30 Voltun altındaki açık devre gerilimlerde yürütülememesinin olası sebeplerinden biri, boşaltım enerjisinin malzemenin eritilip buharlaştırılamayacağı kadar düşük olmasıdır. Bu durum yaşanırsa, boşaltım enerjisinin arttırılması dışında hiçbir şekilde işleme devam ettirilemez. Olası bir başka neden, döküntünün ve gazlı baloncukların elektrot ile iş parçası arasındaki boşaltım aralığından çıkartılmamasıdır, çünkü düşük gerilim nedeniyle çok dardır. Aralıkta biriken bu pislikler, işlemenin devam etmesini önleyerek, kısa devre veya doğru akım arklamaya neden olmasıdır. Bu neden doğruysa, döküntü ve baloncuklar düzgün bir şekilde temizlendiğinde EDM devam edebilir. Bu amaçla yapılan pek çok ölçüm bulunmaktadır: örneğin, ultrasonik vibrasyon desteği, elektrot rotasyonu, içten veya dıştan püskürtme ve sıçramalı püskürtme. Bu yöntemlerden biri olan içten püskürtme, mikroşekillerin üretilmesi için kullanılan ince elektrotlara uygulanamaz. Dıştan püskürtme, bu küçük çaplı elektrotlarda vibrasyona neden olur. Ultrasonik vibrasyon ve elektrot rotasyonu, ince elektrotlar için uygun seçimlerdir. Ultrasonik vibrasyon ile EDM, şimdiye kadar pek çok çalışmada uygulanmıştır; son çalışmaların çoğu delinen mikrodelikler üzerine odaklanmıştır. Yöntemler vibrasyona maruz bırakılan malzeme, elektrot, iş parçası veya işleme sıvısı bakımından farklılık gösterse de, tüm sonuçlar, vibrasyonla boşaltım aralığından döküntülerin ve baloncukların temizlenmesi sayesinde malzeme çıkarma oranının arttığını göstermiştir. Elektrot rotasyonu da aynı etkiyi göstermektedir. Malzeme çıkarma oranında artış, ultrasonik vibrasyon uygulanarak EDM’nin daha düşük gerilimlerde daha düşük boşaltım enerjisi ile gerçekleştirilebileceğini göstermektedir. Bu çalışmada, bu sebeple, iş parçası ultrasonik vibrasyona ve elektrot rotasyona maruz kaldığı halde30 Voltun altında açık devre gerilim ve makinenin kaçak sığasına denk bir sığa benimseyerek gerçekleştirilen, çok düşük boşaltım enerjili EDM gerçekleştirme olasılığı araştırdık.