Birim zamanda bir kıvılcım…
Resim 1. Stabil işlemenin yakından görünümü. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
Gap Boşluğunun İçinde: EDM Termoelektrik Modeli Nasıl Çalışır?
Başarılı bir dalma erozyon operatörü olmak için EDM ‘in çalışma prensiplerini anlamak kesinlikle gerekli değildir. Bununla birlikte, elektrot ve iş parçası arasında neler olup bittiğinin anlaşılması, erozyon operatörüne birkaç önemli alanda yardımcı olabilir. EDM teorisinin temel bilgisi, uygun iş metal- elektrot kombinasyonlarının seçilmesinde ve bir iş için neyin iyi olmasının bir sonraki için her zaman iyi olmadığının anlaşılmasında yardımcı olabilir. Aşağıdaki açıklama, bilinenler ile süreç hakkında teorik olanların bir kombinasyonunu temsil eder.
Termoelektrik Model
EDM ‘in nasıl çalıştığına dair birkaç teori yıllar içinde gelişmiş olsa da, kanıtların çoğu termoelektrik modeli desteklemektedir. Termoelektrik, birlikte hareket eden ısı ve elektrik anlamına gelir. Aşağıdaki dokuz resim, tek bir EDM döngüsü sırasında olduğuna inanılanları adım adım göstermektedir. Şekillerin altındaki grafikler, gösterilen noktadaki voltaj ve akımın bağıl değerlerini göstermektedir.
Şekil 1 – İş parçasının yanına yüklenmiş bir elektrot getirilir. Bunlar arasında EDM ‘de dielektrik sıvısı olarak bilinen yalıtkan bir yağ vardır. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
Bir dielektrik akışkan iyi bir yalıtkan olsa da, yeterince büyük bir elektrik potansiyeli sıvının iyonik (yüklü) parçalara parçalanmasına neden olarak elektrik akımının elektrottan iş parçasına geçmesine müsaade eder. Sıvıda asılı grafit ve metalik partiküllerin varlığı bu elektrik transferine iki şekilde yardımcı olabilir: partiküller (elektrik iletkenleri) dielektrik yağını iyonlaştırmaya yardımcı olur ve yükü doğrudan taşıyabilir ve parçacıklar sıvının elektriksel olarak parçalanmasını katalize edebilir.
Elektrik alanı, şekilde gösterildiği gibi yüksek noktada, yani elektrot ile iş parçası arasındaki mesafenin en az olduğu noktada güçlüdür. Şekildeki grafik potansiyelin (voltaj) arttığını, ancak akımın sıfır olduğunu göstermektedir.
Şekil 2 – İyonik (yüklü) parçacıkların sayısı arttıkça, dielektrik akışkanın yalıtım özellikleri alanın en kuvvetli bölümünde ortalanmış dar bir kanal boyunca azalmaya başlar. Gerilim zirveye ulaştı, ancak akım hala sıfır. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
Şekil 3 – Akışkan bir yalıtkandan daha az olduğu için bir akım oluşturulur. Gerilim düşmeye başlar. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
Şekil 4 – Akım arttıkça ve voltaj düşmeye devam ettikçe ısı hızla yükselir. Isı, sıvının, iş parçasının ve elektrodun bir kısmını buharlaştırır ve elektrot ile iş parçası arasında bir tahliye kanalı oluşmaya başlar. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
Şekil 5 – Bir buhar kabarcığı dışa doğru genişlemeye çalışır, fakat genleşmesi tahliye kanalına doğru iyonların akması ile sınırlıdır. Bu iyonlar, biriken aşırı yoğun elektromanyetik alandan etkilenir. Akım yükselmeye devam ediyor, voltaj düşüyor. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
Şekil 6 – Zamanın sonuna doğru, akım ve voltaj stabilize olmuş, buhar kabarcığı içindeki ısı ve basınç maksimum seviyeye ulaşmış ve bir miktar talaş çıkartılmıştır. Doğrudan gap kolonunun altındaki metal tabaka erimiş haldedir, ancak buhar kabarcığının basıncı ile yerinde tutulur. Gap kanalı şimdi buharlaşmış metal, dielektrik yağ ve karbondan oluşan yoğun bir akımdan oluşan aşırı ısıtılmış bir plazmadan oluşur. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
Şekil 7 – Kapama süresinin başlangıcında, akım ve gerilim sıfıra düşer. Sıcaklık hızla düşer, buhar kabarcığı göçer ve erimiş metalin iş parçasından uzaklaştırılmasına neden olur. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
Şekil 8 – Taze dielektrik sıvısı içeri girer, döküntüleri temizler ve iş parçasının yüzeyini soğutur. Koparılamamış erimiş metal yeniden katman tabakası olarak bilinen şekli oluşturmak üzere katılaşır. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
Şekil 9 – Uzaklaştırılan metal talaşı, elektrottan kopan karbon parçaları ile birlikte dielektrik yağda dağılan minik küreler şeklinde katılaşır. Kalan buhar yüzeye çıkar. Yeterli bir nefes alma mesafesi olmadan, talaş, kıvılcımı kararsız hale getirerek toplanır. Bu durum, elektrot ve iş parçasına zarar verebilecek bir DC ark oluşturabilir. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
Her seferde bir kıvılcım
Bu aç – kapa dizisi, saniyede 250.000 defa tekrarlayabilen bir EDM döngüsünü temsil eder. Herhangi bir zamanda gerçekleşen yalnızca bir döngü olabilir. Bu döngü bir kez anlaşıldığında, EDM ‘in bizim için çalışmasını sağlamak için açma – kapama darbelerinin süresini ve yoğunluğunu kontrol etmeye başlayabiliriz.
Dişi Form
Kesim devam ettikçe, arklanma metalden içeriye doğru ilerledikçe, iş parçasında bir boşluk oluşmaya başlar. Bu boşluk ne kadar derin olursa, artıkları çıkarmak ve iş parçasını ve elektrodu söndürmek için taze dielektrik sıvının boşluğa girmesi zorlaşır. Boşluk sağlamak için elektrot ve çeliğin aralığından dielektrik akışı bile olsa, yıkama yani kesilen talaşın kesim bölgesinden uzaklaştırılması EDM işleminin önemli bir parçası haline gelir.
İyi yıkama, iş parçası parçacıklarının ve aşınmış elektrot parçacıklarının boşluktan uzaklaştırılmasını sağlar. Yıkama, aynı zamanda boşluğa taze dielektrik sağlar. Her ikisi de sabit kesimi sağlamak ve ark oluşumunu önlemek için gereklidir.
Parçacık temizleme işlemini yapan yağ ancak çelik ve elektrot aralığından geçen yağın hacmidir. Tanktaki türbülans, yeterli hacim ve çok fazla basınç olmadığını gösterir. İdeal basınç genellikle 3 ila 5 psi arasındadır. Daha yüksek basınçta yıkama, parçacıkların boşluktan akışını ve boşluktaki dielektrik yenilenmeyi fiilen önleyebilir. Yüksek basınç aynı zamanda elektrodu sarma ve arkı engelleme eğilimindedir.
Hacim ve basınç dengesi önemlidir. Boşluğun büyük olduğu kaba işleme işlemleri, iyi yağ akışı için yüksek hacim ve düşük basınç gerektirir. Boşluğun daha küçük olduğu finiş işlemleri, yağ akışını iyileştirmek için daha yüksek basınç gerektirebilir.
Üç temel yıkama türü basınçlı, emme ve dıştan su vermedir (Bkz. Resim 2). Yıkama yönteminin seçimi, uygulama ile sınırlı olabilir. Elektrot şekli ve boyutu, yıkama işlemini fiziksel olarak engelleyebilir.
Resim 2: Üç yıkama türü. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
Basınçlı Yıkama
Bu en yaygın temizleme yöntemidir. Basınçlı yıkama, dielektrik akışkanı elektrottaki deliklerden geçirerek elektrot ile iş parçası arasındaki boşluğa zorlar. Sıvı ve parçacıklar boşluğun yanlarına doğru akar. Elektrottan geçen su basıncı elektrodun soğutulmasına yardımcı olur. Bir değişiklik olarak, iş parçasındaki deliklerden basılan basınçlı yağ akışı da düşünülebilir.
Hareket eden parçacıklardan mekanik aşınma ile birlikte sekonder boşalma, yan duvarların açılandırılmasına ve yan duvarlar boyunca homojen olmayan bir yüzey desenine neden olabilir. Emme (vakumlu) yıkama, yan duvar konikliğini azaltır.
İkincil Deşarj
Yan duvarlar boyunca boşluktan çıkan sıcak dielektrik sıvı, bir ısı birikimi yaratabilir. Bu ısı, dişi duvarlarının hafifçe termal genleşmesine neden olabilir. Bu şartlar, boşluğun kenarlarında yukarı doğru hareket eden iletken parçacıklarla birlikte ikincil boşalmaya neden olabilir (tekrar kesme-recutting). Kıvılcım doğal olarak en az dirençli yolu arayacağından, elektrodun ucundaki gap boşluğundan ziyade elektrodun yan tarafında boşalabilir.
Vakum Yıkama
Bu, basınçlı yıkama işleminin tam tersidir. Sıvı ve parçacıklar, elektrot veya iş parçası arasındaki boşluktan vakum ile elektrottaki deliklerden çekilir. Bu yöntem ikincil boşalmayı ve konik duvarları azaltır.
Dışarıdan (yandan) Yıkama
Boşluk açıklığına akışkan akışını yönlendirmek için nozullar veya borular kullanılabilir. Sıvı ve parçacıklar karşı tarafa itilir. Bu en az istenen yıkama yöntemidir. Kötü yıkama koşulları DC arklanmasına ve çeliğin oyulmasına neden olabilecek partikülleri tutabilir.
Boşluğun artıklardan arındırılmasını sağlamak için elektrot geri çekildiğinde daha iyi sonuçlar alınabilir. Bu yöntem kesme işlemini yavaşlatır. Ama ne yazık ki ülkemizde en çok bu yöntem kullanılmaktadır.
Yörüngesiz (Orbital olmayan) Elektrot
Elektrottaki yağ boşaltma deliklerinin olduğu bu bölgelerde makinanın kesemeyeceği anlamına gelir. Kesimin sonunda dişide bir bölge kesilmemiş kalacaktır. Kesimin derinliğine bağlı olarak, elektrot içinden yıkama avantajlarını en üst düzeye çıkarmak için EDM işleminin durdurulması ve adacıkların kaldırılması gerekecektir. Kalan adacıklar el ile veya sonraki elektrotlarla çıkarılmalıdır.
Yörüngeli (Orbital) Elektrot
Elektrodu yörüngeye çevirme yeteneği, yıkama işlemlerini kolaylaştırır. Küçük elektrot yörüngeden geçerken gap boşluğu, parçacıkların ve sıvının boşluktan dışarı akmasına izin verecek şekilde uzak taraflarda daha büyük olacaktır. Hareket mekanik olarak dielektrik tazelenmesine yardımcı olur.
Elektrodun yörüngesi, yıkama deliğinin yarıçapından büyükse, elektrottaki küçük yıkama delikleri bir adacık oluşturmaz.
Gaz cepleri
Kıvılcım hareketi tarafından üretilen ve kör boşluklara sıkışan gaz buharlarının, bir benzinli motorun silindirindeki patlama fenomeni gibi, patladığı bilinmektedir. Bu tür patlamalar elektrot ve iş parçasına zarar verebilir ve büyük birikmelerde güvenlik ve yangın tehlikesi yaratabilir (Bkz. Resim 3). Dielektrik yağın otomatik olarak kapatılması ve sıcaklık algılaması yangın olasılığını önemli ölçüde azalttığı halde, dielektrik yağın yanıcı olduğu unutulmamalıdır. Tasarım aşamasında bu tür ceplerin yaratılması öngörülüyorsa, kapana kısılmış gazı yüzeye boşaltmak için hazırlık yapılmalıdır.
Resim 3: Bu bir zamanlar bir elektrottu. Tahliye edilmemiş gazlar, EDM kıvılcımı ile tutuşabilir, değerli elektrotları tahrip edebilir, yangın başlatabilir ve hatta yaralanmaya neden olabilir. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
Finiş Erozyon Yapmak
EDM işlemi tarafından oluşturulan finiş, binlerce kıvılcımın rastgele etkileri tarafından oluşturulan küçük kraterlerin sonucudur. Her döngüden sonra, oluşturulan kraterin kenarı, yeni bir döngü için muhtemel bir hedef yapan yeni bir yüksek nokta oluşturur. Bu durum nedeniyle, Elektrik Deşarjı İşlenmiş yüzeyin rastgele doğasını hesaba katarak desenlendirilmiş bir yüzeyle örtüşen kraterler oluşur. Bu kumlu yüzey deseni (SF), EDM ‘in birçok sektördeki çekici özelliklerinden biridir.
Üst üste gelen kraterlerin oluşturduğu EDM yüzey vadileri ve tepe noktaları, bir profilometre ile ölçülür ve yüzey finişi genellikle mikro milimetrelerde aritmetik ortalama (µin Ra) ile ifade edilir. Bu değere yüzey pürüzlülüğü de denmektedir.
İş Parçası
EDM süreci, yalnızca iş parçasının yüzeyini değil aynı zamanda ilk görünen yüzeyin alt yüzeyini de değiştirir. İş parçasının EDM’ den etkilenmemiş bölgesinin üstünde üç katman oluşur (Resim 4). İlk katman, EDM yüzeyi, kürecikler şeklinde sıçramış, eritilmiş metal ve küçük miktarlarda elektrot materyali kumlu desenli çalışma yüzeyidir. Bu saçılmış malzeme kolayca (örneğin bir diş fırçası yardımıyla) çıkarılır.
Bir sonraki katman, yeniden biçimlendirme (beyaz) katmanıdır. Dalma erozyon hareketi aslında ilk metal grubunun metalürjik yapısını ve özelliklerini yeniden yapılanma katmanı olarak değiştirmektedir. Bu tabaka, kesme anında kopan malzeme çukurunda oluşan kraterin etrafında katılaşan kopartılamamış erimiş metaldir. Erimiş metal dielektrik tarafından hızlı bir şekilde soğutulur. Mikro çatlaklar bu çok sert ve kırılgan katmanda oluşabilir. Bu katman çok kalınsa veya parlatma ile azaltılmazsa veya kaldırılmazsa, bu katmanın etkileri bazı uygulamalarda iş parçasının erken bozulmasına neden olabilir.
Son katman, ısıdan etkilenen bölge veya sadece ısıtılmış, erimeyen ama tavlanmış bir katmandır. Yeniden biçimlendirme katmanının ve ısıdan etkilenen bölgenin derinliği, malzemenin ısıl işlem kabiliyeti ve kesim için kullanılan güç ile değişkenlik gösterir. Bu değişmiş metal bölge, yüzey bütünlüğünün kalitesini yani parlatılabilirliğini etkiler.
CNC makinelerinde bulunan otomatik son işlem devreleri, yeniden kaplama katmanını büyük ölçüde azaltır, ancak ısıdan etkilenen bölgeyi elimine etmez.
Resim 4: EDM işlemi tarafından oluşturulan katmanlar. Fotoğraf edmtechman.com dan alınmıştır.
