עיבוד בהתפרקות חשמלית

עיבוד בהתפרקות חשמלית (EDM), המכונה גם עיבוד גיצי, או תהליך איכול בעזרת ניצוץ, הוא תהליך ייצור לעיבוד מתכות קשות במיוחד או לעיבוד גאומטריה שלא ניתן לבצע בעיבוד שבבי רגיל.

 עיקרון התהליך 
בתהליך התקרבות של שתי אלקטרודות, מתפרץ ניצוץ ביניהן. ניצוץ זה יוצר מכתש קטן במקום פגיעתו.

בתהליך זה, הניצוץ פורץ בין האלקטרודה שהיא למעשה "הכלי", לבין ה"חומר המעובד". תכנון נכון גורם לכך שעיקר האיכול יהיה בחומר המעובד והפגיעה בכלי האלקטרודה תהיה מינורית.

החומר מוסר מהמעובד על ידי סדרה של התפרקויות חשמליות חוזרות במהירות בין שתי האלקטרודות. כדי לשלוט ולהגביר את התהליך, טבולות שתי האלקטרודות בתוך אמבט עם נוזל דיאלקטרי המאיץ את תהליך ההתפרקות. אחת האלקטרודות נקראת אלקטרודת הכלי, או פשוט tool או electrode, ואילו השנייה נקראת אלקטרודת החלק המעובד, או work piece. כאשר המתח בין שתי האלקטרודות מוגבר, עוצמת השדה החשמלי בנפח בין האלקטרודות הולכת וגוברת, מה שגורם להתפרקות דיאלקטרית של הנוזל, ומייצר קשת חשמלית. כתוצאה מכך מוסר חומר מהאלקטרודות.

 היסטוריה 
ההשפעה הארוזית של התפרקות חשמלית נצפתה לראשונה בשנת 1770 על ידי הפיזיקאי האנגלי ג'וזף פריסטלי.

 תהליך עיבוד בשיקוע EDM 
בשנת 1943, החלו שני מדענים רוסים, בוריס לזרנקו ונטליה לזרנקו, לחקור דרכים למניעת שחיקת המגעים החשמליים של טונגסטן כתוצאה מהתלקחות. הם נכשלו במשימה, אך גילו שהשחיקה נשלטת בצורה מדויקת יותר אם האלקטרודות היו שקועות בנוזל דיאלקטרי. זה הוביל אותם להמציא מכונת EDM המשמשת לעיבוד של חומרים קשים כמו טונגסטן. המכונה שפותחה על ידם ידועה כמכונה R-C-type machine.

במקביל אך באופן עצמאי,פיתח צוות אמריקני, שכלל את הרולד סטארק, ויקטור הרדינג וג'ק ביבר, מכונת EDM לפינוי מקדחים ומברזים שבורים מיציקות אלומיניום.

בתהליך הייצור התבצעו קדחים ותבריגים פנימיים בחלקים יקרים, וכשלעיתים נשבר בתוך החלק מברז המיוצר מפלדה מהירה HSS נפסל החלק היקר. השימוש בעיקרון הטכנולוגי הנ"ל איפשר לאכל את המברז השבור על ידי תהליך התפרקות חשמלית. המכונות ש לצוות האמריקני הצליחו לייצר כ-60 ניצוצות בשנייה. מכונות מאוחרות יותר הצליחו לייצר אלפי ניצוצות בשנייה, ולהגדיל משמעותית את מהירות החיתוך. 

 תהליך חיתוך EDM בעזרת חוט 
עיקרון הפעולה בתהליך זה: אלקטרודת הכלי היא חוט פליז מתוח אשר מתקדם בתנועה מבוקרת אל החלק המעובד. והחוט למעשה חותך את החומר המעובד כאשר התנאי היחיד יהיה מוליכות חשמלית ובלי התייחסות לקושי החומר המעובד.

כדי למנוע את הבלאי בחוט הפליז, החוט מתוח וזורם בין שני סלילים ולמעשה כל הזמן יש שימוש באלקטרודה "חדשה".

המכונה הראשונה לחיתוך בחוט יוצרה בשנות השישים לייצור כלים (תבניות) מפלדה מוקשה. בתהליך הפיתוח, המכונות היו עם בקרת מחשב CNC אשר אפשרה לתכנן את מסלול החוט. המכונה הראשונה של CNC יוצרה בשנת 1976.

בקרה על פרמטרים בתהליך

יכולת השימוש בEDM תיל מסחרי התקדמה משמעותית בעשורים האחרונים. קצב העבודה עלה, וניתן לשלוט בנתוני גימור פני השטח.

 כללי 
ממוזער| 1פולס גנרטור לזרם ישר 2החלק המעובד. 3 מתקן. 4 נוזל דיאלקטרי. 5 משאבה. 6 פילטר. 7 מחזיק כלי 8 ניצוץ. 9 מתקן
עיבוד בהתפרקות חשמלית היא שיטת עיבוד המשמשת בעיקר למתכות קשות או כאלו שהיו מאוד קשות לעיבוד בטכניקות מסורתיות. EDM עובד בדרך כלל עם חומרים מוליכים חשמלית, אם כי הוצעו גם שיטות לשימוש ב-EDM לייצור בידוד קרמיקה. EDM יכול לחתוך קווי מתאר או חללים מורכבים בפלדה מוקשה, ללא צורך בטיפול בחום כדי לרכך ולהקשות מחדש. ניתן להשתמש בשיטה זו עם כל סגסוגת מתכת או מתכת אחרת כגון טיטניום, hastalloy ,kovar, ו-inconel. כמו כן, דווח על יישומים של תהליך זה לעיצוב כלי יהלומים.

עיבודים לא קונבנציונליים

EDM נכלל לרוב בקבוצה של שיטות עיבוד "לא קונבנציונלי" יחד עם תהליכים כמו עיבוד שבבי אלקטרוכימי (ECM), חיתוך סילון מים (WJM, AWJ), חיתוך לייזר ועוד.

מנגד ישנם התהליכים הקונבנציונליים כגון חריטה, כרסום, השחזה, קידוח וכל תהליך אחר שמנגנון הסרת החומרים שלו מבוסס בעיקרו על הסרת שבבים בעזרת כוחות מכניים).McCarthy, Willard J. and McGeough, Joseph A. "Machine tool". Encyclopædia Britannica

כדי לקיים את התהליך יש צורך בסילוק גרגרי המתכת שנמצאים בתוך הנוזל הדיאלקטרי. סינון נכון וניקוי הנוזל הם תנאי לתהליך שוטף ואחיד. תיאור ואפיון התהליך כך שיתאים למטרה ספציפית מתבקשת הופך את ה-EDM לתחום שבו מגוון אפשרויות להמשך חקירה ומחקר.Descoeudres, Antoine (2006). Characterization of electrical discharge machining plasmas. Thèse EPFL, no 3542.

המרווח בין העובד לאלקטרודה GAPE

כדי להשיג גאומטריה ספציפית, הכלי ה-EDM מונחה לאורך הנתיב הרצוי קרוב מאוד לעובד; באופן אידיאלי, העובד אינו צריך לגעת בחומר המעובד. במציאות, זה עשוי לקרות בגלל ביצועי בקרת התנועה הספציפית הנמצאת בשימוש. באופן זה, מתרחש מספר גדול של התפרקויות זרם (המכונה גם ניצוצות), וכל אחד מהם תורם להסרת החומר מהכלי והן מחומר העבודה בו נוצרים מכתשים קטנים. גודל המכתשים הוא פונקציה של הפרמטרים הטכנולוגיים שנקבעו לתפקיד הספציפי. הם יכולים להיות בממדים אופייניים הנעים בין ערכים ננומטריים (בפעולות מיקרו-EDM) ל-0.5 מ"מ בתנאי עיבוד גס.

בקרת שחיקת האלקטרודה

נוכחותם של מכתשים קטנים גורמת להישחקות הדרגתית של אלקטרודת הכלים בתהליך המכונה שחיקה. ישנן מס' דרכים לניטרול ההשפעה המזיקה של הבלאי על הגאומטריה של העיבוד - אפשרות אחת היא להחליף ברציפות את אלקטרודת הכלי במהלך פעולת עיבוד שבבי. לעיתים, משתמשים בדיסק מסתובב כאלקטרודה לכלים.

אסטרטגיה נוספת מורכבת משימוש במערכת אלקטרודות בגדלים וצורות שונות במהלך אותה פעולת EDM. המונח "כרסום EDM" מתייחס לקבלת הגאומטריה הסופית באמצעות אלקטרודה פשוטה המונעת לכמה כיוונים ואולי גם נתונה לסיבובים.

הבלאי באלקטרודות

בכל מקרה, חומרת הבלאי תלויה אך ורק בפרמטרים הטכנולוגיים המשמשים בפעולה (למשל: קוטביות, זרם מרבי, מתח במעגל פתוח). לדוגמה, במיקרו-EDM, המכונה גם μ-EDM, פרמטרים אלה נקבעים בדרך כלל לערכים המייצרים בלאי קשה. לכן בלאי הוא בעיה מרכזית בתחום זה.

אחת הדרכים לטיפול בבעיית הבלאי באלקטרודות הגרפיט, היא על ידי גנרטור דיגיטלי, הניתן לשליטה בתוך אלפיות השנייה, והופך את הקוטביות בזמן שמתרחשת השחיקה.Koelsch, James (October 2009). "EDM: A Changing Competitive Calculus," Manufacturing Engineering, Society of Manufacturing Engineers

 סקירת מחקרים על הפרמטרים הטכנולוגיים 

הפרמטרים העיקריים בעת כוונון המכונה הם הזרם, התדר והמתח בתהליך.

בעת עיבוד חומרים שונים באותם תנאי הגדרה, הפרמטרים החשמליים בפועל של התהליך שונים באופן משמעותי.

הפרמטרים לעיבוד חומרים קשים וסגסוגות עילית כמו 716 Inconel המשמש לחלקי תעופה, נחקרו מאחר שבעבודה עם פרמטרים לא נכונים יש סכנה להיווצרות סדקים אשר גורמים ל"שבר התעייפות". נושאים אלה נחקרו רבות במסגרת Suface Integrity תופעות שלמות פני שטח בעיבוד מכני. התפוקות החשובות של מחקרים אלה - הנחיות מפורטות לגבי הפרמטרים לעבודה כדי למנוע נזקים בעיבוד.

 מנגנון פינוי חומרים 
הניסיון הרציני הראשון לספק הסבר פיזי על הסרת החומר במהלך עיבוד בהתפרקות החשמלית ניתן, ככל הנראה, על ידי ואן דייק,Van Dijck, Frans (1973). Physico-mathematical analysis of the electro discharge machining process. PhD Thesis Katholieke Universiteit Leuven. אשר הציג מודל תרמי יחד עם הדמיה חישובית כדי להסביר את התופעות בין האלקטרודות במהלך עיבוד ההתפרקות החשמלית.

מודלים נוספים של המתרחש במהלך עיבוד ההתפרקות החשמלית מבחינת העברת חום פותחו בשלהי שנות השמונים ותחילת שנות התשעים, כולל מחקר באוניברסיטת טקסס A&M בתמיכת יצרן המכונות AGIE, שהוביל לשלושה מאמרים מדעיים שהציגו 3 מודלים: הראשון מציג מודל תרמי להסרת חומר בקתודה, השני מציג מודל תרמי לשחיקה המתרחשת באנודה והשלישי מציג מודל המתאר את תעלת הפלזמה שנוצרה במהלך מעבר זרם ההתפרקות דרך הנוזל הדיאלקטרי. אימות מודלים אלה נתמך על ידי נתונים ניסיוניים המסופקים על ידי מהנדסי AGIE, והם

ו מעניקים את תמיכה לטענה כי EDM הוא תהליך תרמי המתרחש תוך הסרת חומר משתי האלקטרודות בגלל התכה או אידוי, יחד עם דינמיקות לחץ שנוצרה בפער הניצוץ על ידי התמוטטות תעלת הפלזמה.

המודל של מסינג וגוש מחבר מחדש את פינוי החומר מהאלקטרודה - לנוכחות כוח חשמלי על פני האלקטרודה שיכול היה להסיר חומר מכני וליצור את המכתשים.

בהתחשב במודלים הרבים הזמינים, נראה כי מנגנון הסרת החומר ב-EDM עדיין אינו מובן היטב וכי יש צורך בחקירה נוספת כדי להבהיר אותו.
 בעקבות מסקנות מעבודה בתחום ניתן לומר כי ביצועי EDM בדרך כלל מוערכים על בסיס טיב השטח הנדרש, קצב הסרת החומר, וקושי העובד. זרם הניצוץ (I) הוא גורם הקלט המשמעותי ביותר המשפיע על עיבוד חומר העבודה ואחריו זמן ומתח ניצוץ.
 טכנולוגיה חדשנית ב-EDM מתקדמת ללא הרף כדי להפוך הליך זה למתאים לעיבוד.

 סוגי פעולות ה-EDM 
 שיקוע EDM 
ממוזער|Sinker EDM allowed quick production of 614 uniform injectors for the J-2 rocket engine, six of which were needed for each trip to the moon.
תהליך שיקוע EDM

בתהליך משתתפים אלקטרודה צורתית מנחושת או מגרפיט, וחומר עובד טבולים באמבט של נוזל דיאלקטרי.

לדוגמה אם האלקטרודה בעלת חתך מרובע יתקבל בחלק חור מרובע.

אם תחתית האלקטרודה תהיה עם רדיוס כדורי, יתקבל שקע בצורת חצי כדור.

כיוון המכונה יהיה לפי טיב השטח הנדרש, קצב הסרת החומר והקושי.

הגדרת משך זמן הניצוץ קובעת את עוצמת או משך הניצוץ. לפיכך, זמן רב יותר מייצר חלל עמוק יותר מכל ניצוץ, ויוצר טיב שטח מחוספס יותר על העובד. בזמן קצר יותר לניצוץ. יהיה משך הזמן הכבוי פרק הזמן שבין הניצוצות. זמן הכיבוי מאפשר שטיפת אזור העיבוד עם נוזל דיאלקטרי אשר מסלק את חלקיקי המתכת ומשפר את ביצוע התהליך.

 חוט EDM 
ממוזער| מכונת EDM חיתוך חוט CNC
ממוזער| 1 חוט. 2 הקשת החשמלית. 3 פוטנציאל חשמלי. 4 העובד .
מכונת CNC EDM לחיתוך בחוט. בחיתוך EDM חוט משתמשים בחוט פליז. באמבט העבודה עם הנוזל הדיאלקטרי, נמצא מנגנון הנעת החוט המתקדם אל תוך העובד וחותך אותו. יכולת החיתוך היא פלטה מפלדה בעובי 300 מ"מ, החוט, המוזן ללא הפסקה מצמד סלילים, מוחזק בין מכווני היהלומים העליונים והתחתונים אשר ממוקמים מעל ומתחת לעובד. שני צירי התנועה, מבוקרים על ידי CNC, קיימות מכונות עם הנע בשלושה צירים, אשר מסוגלת לחתוך ולקבל קונוס. השימוש העיקרי עם מכונות אלה הוא ייצור מבלטים

קוטר החוט החותך הוא בין 0.02 מ"מ עד 0.25 מ"מ, ובתנועתו יכול לייצר חלקים עם פינות חדות.

 קידוח חור מהיר EDM 
בייצור חלקים לעולם התעופה משתמשים בסגסוגות עילית קשות מאוד לעיבוד שבבי. מכונה זו מאפשרת קידוח קדחים בכל קוטר ובקצב מהיר, בלי מגבלה של קושי החלק המעובד.

 יישומים 
 ייצור אב-טיפוס 
תהליך ה-EDM נמצא בשימוש נרחב על ידי תעשיות ייצור, כלים ומבלטים, אך הוא הופך לשיטה נפוצה לייצור חלקי אב-טיפוס וייצור, במיוחד בתעשיות התעופה והחלל, הרכב והאלקטרוניקה שבהם כמויות הייצור נמוכות יחסית.

 כלי הטבעה למטבעות 
ממוזער| הכלי בצורת כוכב למעלה, העובד למטה ומעליו אספקת הנוזלים לחיתוך ושטיפה

תהליך ייצור כלים תבניות וטבעים לייצור תכשיטים מבוצע במכונות שיקוע,
ימין|ממוזער| לוח הבקרה של מכונת EDM

 קידוח חור קטן 
ממוזער| להב טורבינה עם קירור פנימי כפי שיושם בטורבינת בלחץ גבוה.
ממוזער| קידוח חור קטן מכונות EDM.
קידוח חור קטן EDM משמש במגוון יישומים.

EDM לקידוח חורים זעירים משמש לקידוח שורות של חורים בשוליים המובילים והנגררים של להבי הטורבינה המשמשים במנועי סילון. זרימת הגז דרך החורים הקטנים הללו מאפשרת למנועים להשתמש בטמפרטורות גבוהות יותר ממה שאפשר אחרת. הסגסוגות המשמשות לחלקים אלה, כמו איקונל, עמידות בטמפרטורות גבוהות וקשה מאוד לעבד אותן גם כאשר מדובר בקדחים עמוקים ביותר.

 מכונה להסרת מברזים שבורים 
מספר יצרנים מייצרים מכונות EDM למטרה הספציפית של הסרת כלים שבורים מקדחים ומברזים, אשר נשברו בתוך חלקים יקרים.

 יתרונות וחסרונות 
היתרונות של EDM כוללים עיבוד של:
 ייצור צורות מורכבות שלא ניתן לייצר בתהליכים קונבנציונליים.
 עיבוד חומרים קשים.
 עיבוד חלקים מדויקים ביותר.
 חלקי עובד קטנים מאוד שבהם כלי חיתוך קונבנציונליים עלולים לפגוע בחלק מלחץ כלי החיתוך.
 אין קשר ישיר בין הכלי לעובד. לכן ניתן לעבד קטעים עדינים וחומרים חלשים ללא עיוותים.
 ניתן להשיג טיבי שטח מעולים ברמת ליטוש.
 ניתן לקדוח חורים עדינים מאוד.
 ניתן לייצר חורים קוניים.
 עיבוד חלקים דקי דופן וברדיוס פינה 0.02 מ"מ.

החסרונות של EDM כוללים:
 קושי באיתור טכנאים מומחים. לתיכנות והפעלת המכונה.
 הקצב האיטי של הסרת החומר.
 סכנת שרפה אפשרית הקשורה בשימוש בנוזל הדיאלקטר מבוססי שמן דליק.
 הזמן והעלות הנוספים המשמשים לתכנון וייצור אלקטרודות עבור EDM שיקוע.
 צריכת חשמל ספציפית גבוהה מאוד.
 שחיקה מוגזמת בכלי המתרחשת במהלך העיבוד מחייב עצירה וחזרה על פעולות.
 מגבלה בעיבוד חומרים לא מוליכים. (2010).

 ראו גם 
 תהליכי ייצור מכני

 קישורים חיצוניים 

 New Arc Detection Technology for Highly Efficient Electro-Discharge Machining
 Engineering Design For Electrical Discharge Machining


הערות שוליים

קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
קטגוריה:תהליכי ייצור
קטגוריה:הנדסת תעשייה
קטגוריה:עיבוד מכני
קטגוריה:עיבוד קדחים
קטגוריה:קשת חשמלית
קטגוריה:הנדסת מכונות
קטגוריה:ייצור
קטגוריה:מכונות
קטגוריה:טכנולוגיה
קטגוריה:עיבוד מתכת
קטגוריה:נוזל קירור