• MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAK 456-Alışılmamış İmalat Yöntemleri
Doç. Dr. Naci KURGAN
Elektro Erozyon İle İşleme
Hafta-7
MAK 456-Alışılmamış İmalat
Yöntemleri
1-ELEKTRO EREZYON İLE İŞLEME
İş parçasının yüzeyine uygulanan kıvılcım, noktasal olarak erime ve buharlaşmaya neden olur ve bir miktar talaş kopartır. Bu esnada iş parçasına her hangi bir mekanik kesme kuvveti uygulanmaz.Bu şekilde elektriksel boşalma (Kıvılcım Atlaması) ile elektro termal talaş kalırm işlemine elektro erozyon işlemi denir. Elektri ileten ütün metaller bu işleme tabi tutulabilir.
Elektro erozyon ile işleme işleminde ( EDM
Electrical Discharge Machining ), malzeme
kaldırma işlemi takım fonksiyonunu yapan bir
elektrot ile parça arasında meydana gelen yüksek
frekanslı kıvılcımların yardımıyla gerçekleşir
.
Kıvılcımlar ergitme ve buharlaşma yoluyla çok
küçük malzeme parçacıkları kaldırarak parça
yüzeyini erozyona tabi tutarlar ve üzerinde ufacık
çukurlar oluştururlar. Genellikle takım katot (-),
parça ise anot (+) durumdadır. Fakat çelik ve
alüminyum elektrotlar, çeliğin işlenmesinde
kullanılan tungsten-bakır elektrotları ve kaba işlem
için kullanılan grafit elektrotlar bu kuralın dışındadır.
Elektrot (takım) ile parça arasında 0,0125 ile 0,5 mm’
lik bir ark aralığı ve bu aralıkta dielektrik bir sıvı bulunur. Dielektrik sıvı, soğutma fonksiyonunun yanı sıra, yüzeyden kaldırılan çok küçük malzeme parçacıklarını aralık arasından uzaklaştırır.
2-ELEKTROTLAR (Takımlar)
Elektro erozyon işlemlerin takım fonksiyonunu elektrik iletim özelliği olan elektrotlar üstlenmiştir. Şekilleri işlenecek malzemenin şekline veya uygulamanın türüne göre değişim gösterir. Genel bir tanım olarak elektrotlar elektrik iletkenliğine sahip malzemelerden yapılırlar.
Elektrotların sahip olması gereken özellikleri :
1-Isı ve elektriği çok iyi iletmeli,
2-Kolay ve ucuza üretilebilmeli, işlenebilmeli,
3-İş parçasında talaş (metal) kaldırma oranı yüksek olmalı, 4-İşleme sırasında fazla aşınmamalı, aşınmaya karşı
dirençli olmalı,
5-Erime sıcaklığı yüksek olmalıdır, 6-Maliyeti düşük olmalıdır.
2.1Elektrot Malzemeleri
Genel olarak kullanılacak elektrotlar işlenen parçanın malzemesine, istenen şeklin detaylarına ve hassasiyetine ve bitiş yüzeyinin kalitesine göre seçilirler.
Elektrot olarak en çok kullanılan malzemeler:
1.Grafit, 2.Bakır, 3.Pirinç,
4.Bakır tungsten, 5.Gümüş tungsten,
6.Karpit ve çinko alaşımlarıdır.
Elektrot Malzemelerinin Seçiminde Dikkate Alınması Gereken Kriterler :
1.İşlenebilirlik,
2.Kıvılcım erozyonuna karşı aşınma hızı, 3.İş parçasını işleme hızı,
4.Elde edilecek yüzey kalitesi,
5.Kullanılacak gücün çeşidi ve miktarı,
6.Malzemenin maliyeti gibi konular dikkate alınmalıdır.
Grafit elektrot:
Genelde fiyatı da parçacık boyutuna göre belirlenir.
Küçük parçacıklı grafit, büyük parçacıklı grafite göre daha pahalıdır. İri parçacıklı grafit Elektro erozyon ile işleme işlemlerinin büyük bir bölümünü oluşturan kaba işlemlerde kullanılırken, küçük parçacıklı grafit daha hassa işlerde kullanılır. Grafitin genel kullanım alanı çelik işlemedir.
İri parçacıklı grafit daha gözenekli bir yapıya sahip
olduğundan daha fazla pürüze sebep olur. Bu
nedenle de hassas işlemlerde ince tanecikli grafit
tercih edilmelidir.
Şekil 1. Grafit elektrot
Şekil 1. Grafit elektrot
Bakır elektrot:
Saf bakır ya da elektrolitik bakır bu tür elektrotların imalatında kullanılır. Genel olarak çok hassas yüzeylerin işlenmesinde kullanılırlar. Bu tür elektrot ile karmaşık yüzeyleri düşük maliyetler ile üretmek mümkündür
.
Şekil 2. Bakır elektrot
2.2- Elektrot Üretim şekilleri
Elektrotların üretimi Elektro erozyon ile işleme de işlenen parçaların işlenmesinden daha kolaydır.
Bunlardan biri ayrı ayrı parçaların birleştirilmesiyle elektrot oluşturulmasıdır. Çoğunlukla torna, taşlama tezgahları gibi yaygın tezgahların kullanımıyla üretilirler.
Diğer yöntem ise döküm yoluyla elektrot üretilmesidir.
2.3- Kullanım Sırasında Aşınma
İşleme sırasında, parçada olduğu gibi elektrotlarda da aşınma meydana gelecektir. Bu sebeple de takım şeklini kaybederken istenilen tolerans değerlerine ulaşmak zorlaşacaktır. Bu nedenle genelde işleme sırasında yedek elektrotlar bulundurulur.
2.4- Kalıp İşlemlerinde Takımlar
Elektro erozyon ile işleme işlemlerinde takım olarak kullanılacak malzeme hem kalıbı iyi işleyebilmeli, hem de dayanıklı olmalıdır. Bu tür uygulamalar için genel olarak ucuz olduğu için grafit kullanılır.
Şekil 3. Elektro erozyon ile kalıp açma
3-DİELEKTRİK SIVISI
Elektro erozyon ile işlemede dielektrik sıvısı, üretilen parçaların maliyeti, kalitesi ve üretilebilirliği üzerinde ciddi etkiye sahiptir. Ayrıca sağlık ve güvenlik açısından da, özellikle hidrokarbon bazlı sıvı kullanıldığında, dielektrik sıvısı önem arz etmektedir.
3.1- Dielektrik Sıvısının Görevleri
1-Elektrotlar üzerinde toplanan yükün belirli bir süre tutulması,
2-Boşalımın dar bir kanalda tutulması,
3-Boşalım esnasında açığa çıkan ısının hemen atılması, 4-Kısa devre oluşumu ve elektrot aşınmasını önleme
açısından çok önemli olan, boşalım sonrası işleme aralığında oluşan işleme atıklarının uzaklaştırılması, 5-Gerekli voltaja ulaşıncaya kadar yalıtkanlık teşkil etmesi
6-Akışkan iyonları ile kıvılcımın iyi iletilmesini sağlaması
7-Elektrot ve iş parçasının soğutma işlemini yapması 8-İş parçasının oksitlenmesini önlemesi
9-Kıvılcımı dar bir alanla sınırlaması dır.
3.2- Dielektrik Sıvısının En Önemli Özellikleri
1-Dielektrik direnci, 2-Viskozitesi,
3-Isıl iletkenliği 4-Isı kapasitesidir.
Sıvının dielektrik direnci arttıkça boşalım aralığı azalır ve bu sayede daha yüksek akım işleme boşluğundan geçebilir.
Viskozite azaldıkça sıvının daha rahat akabilmesinden dolayı dielektrik sıvının püskürtülmesi daha muntazam olur. Bu ise daha iyi yüzey kalitesine yol açar.
Dielektrik sıvının ısıl iletkenliği ve ısı kapasitesi arttıkça, çalışma boşluğundaki fazla enerjiyi daha kolay uzaklaştırabileceği için, iş parçasının ısıl hasara daha az maruz kalması sağlanmış olur.
Elektro erozyon ile işlemede dielektrik sıvısı olarak genellikle yüksek dielektrik direncine ve düşük
viskoziteye sahip mineral yağlar tercih edilmektedir.
Gazyağı bunlar arasında en çok kullanılanıdır.
Kimyasal reaksiyonlara sebebiyet vermemek için genel olarak deiyonize su kullanılmaktadır.
Su da dielektrik sıvısı olarak kullanılmaktadır.Elektro erozyon ile işlemede dielektrik sıvısı olarak suyun
kullanılmasının en büyük dezavantajı, suyun ısınması ve buharlaşması için, hidrokarbon bazlı yağlara oranla daha yüksek enerjiye ihtiyaç duymasıdır.
Elektro erozyon ile işlemede deiyonize su kullanıldığında en az madde açığa çıkmaktadır. Bu da, deiyonize su kullanımının diğer dielektrik sıvılarının kullanımına göre hem çalışanlara hem de çevreye daha az zarar verdiği manasına gelir.
Tablo 1. Farklı Dielektrik Sıvılarının
Kullanılmaları Neticesinde Açığa Çıkan Maddeler
Yağ bazlı dielektrik sıvılar Deiyonize su Su bazlı dielektrik sıvılar Polisiklik aromatik hidrokarbonlar
(örneğin:
benzopirin),Parafinik hidrokarbon buharı, yağ dumanı(aerosol), metalik tanecikler, nitroaromatik
bileşikler, aldehitler, asetilen, etilen, hidrojen,karbon dioksit, karbon
monoksit, siyah karbon,ksilen, bütil alkol, bütil asetat
Su buharı, karbon monoksit, nitrojen oksit, ozon, metalik tanecikler, klorid
Florid, klorid, nitrit, bromid, nitrat,fosfat, sülfat, karbon dioksit,ozon, karbon
monoksit, ksilen,formaldehit, tolüen, benzol
3.3- Elektro Erozyon Tezgahlarında Kullanılan Soğutma Sıvıları
1.Petrol ürünleri (hidrokarbonlar) a.Transformatör yağı,
b.Mazot c.Gaz yağı
d.Erozyon yağı
2.Etilen glikol’ün sulu çözeltisi 3.Karbon tetra klorür
4.De iyonize su (tuzu alınmış su) 5.Basınçlı gazlar
4-ELEKTRO EROZYON TEKNOLOJİSİ
1943 yılında Rus araştırmacıların kıvılcım atlaması ile metallerin birbirlerini aşındırabileceğini keşfetmelerine rağmen ancak
1960'larin sonunda elektronik kontrol sistemlerinin gelişmesi ile bu işlem güvenilir ve hassas bir talaş kaldırma metodu olarak kabul edilmiştir.
Elektro erozyon ile isleme üzerine, ülkemizdeki çalışmalar 1974 yılında ODTÜ’nde başlamış olup 1980'li yılların başında Türk firmaları elektro erozyon ile isleme tezgahı üreterek iç piyasanın ihtiyacını karşılamaya başlamışlardır. Elektro erozyon ile isleme sert malzemeleri ve karmaşık şekilleri, doğru boyutlarda islemenin mümkün olduğu bir imalat yöntemidir. İşleme özellikleri malzemenin sertlik, tokluk ve mukavemet değerlerinden bağımsızdır. Buna karşılık işleme verimi malzemenin erime sıcaklığı ve isi iletkenliğine bağlıdır.
Elektro erozyon ile isleme %80 ağırlıklı olarak takim endüstrisinde kullanılmaktadır. Göreceli olarak daha az oranda da çeşitli özel imalat islerinde de
kullanılmaktadır.
Elektrik ileten her malzeme elektro erozyon tezgâhı ile işlenebilir. İşleme için bir şablona ihtiyaç vardır. Tezgâh bu şablonun negatifini iş parçasına işler.
Elektro erozyon tezgâhının en önemli sınırlaması, diğer tezgâhlara göre çok yavaş talaş kaldırmasıdır.
Tezgâhın ikinci bir sınırlaması da elektrot (şablon) hazırlaması ve tüketimidir. Elektro erozyon tezgâhı elektrot hazırlanması için diğer tezgâhlara muhtaçtır.
Elektro erozyon ile işleme sıklıkla, çok sert, kırılgan, yüksek mukavemetli, yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemelere uygulanmaktadır. Mevcut yöntemlerle işlenmesi çok zor olan metallerin bu yöntemle işlenmesi zaman ve maliyet açısından büyük kazançlar sağlamaktadır.
Elektro erozyon ile işleme de yüzey küçük kraterlerden oluşmakta ve tornalama, frezeleme, planyalama gibi imalat yöntemlerinde olduğu gibi birbirini izleyen profiller yerine kraterlerin oluşturduğu rastgele ve dağınık profiller meydana gelmektedir.
5-ELEKTRO EROZYON İLE İŞLEME
Elektro erozyon işlemine en basit örnek, her zaman herkesin karşılaşabileceği Yıldırım olayıdır. Yıldırım oluşumunda enerji, bulutlardan (elektrot) havada (dielektrik ortamda) oluşan bir yol ile yeryüzüne (iş parçasına) boşalır (şekil-4.). Yıldırımın şiddetine bağlı olarak yeryüzünde, tahribat (aşınma) meydana gelir.
Elektro erozyon tezgahlarında ise enerji boşalması, elektronik kontrollü arklarla sağlanır ve mikro saniyeler düzeyinde gerçekleşir. Ayrıca ark sonucu oluşan tahribat kontrol edilebilir.
Şekil 4. Yıldırım oluşumu görünümü
Elektro erozyon işleminde iki elektrot kullanılır. Biri alet (Tool), diğeri iş parçasıdır. Bu iki elektrot arası dielektrik sıvısı ile doludur. Dielektrik sıvısı elektrik iletmeyen bir sıvıdır.
Şekil 5. Takım,İş Parçası ve Dielektrik Sıvısı
Şekil 6. Elektro erozyon tezgahı şematik gösterimi
Şekil 7. Elektro erozyon tezgahı şematik gösterimi
Elektro erozyon tezgahında elektrot ile iş parçası arasına bir voltaj tatbik edilir ve elektrot, iş parçasına özel bir servo mekanizma tarafından yaklaştırılır. Elektrot ile iş parçası arasında en yakın olan noktada dielektrik kırılır ve iyonlaşır. Buradan akım geçişi (ark-enerji boşalması) başlar.
Dielektrik basıncı arkı dar bir alana hapseder. Noktasal olarak yüksek bir akım geçişi (1-5 milyon Amper/cm²) ve iyon bombardımanı ile iş parçası ve elektrot üzerinde yüksek miktarda sıcaklık oluşur. Bu sıcaklık bir kısım metalin buharlaşmasına, bir kısmının erimesine sebep olur.
Elektronik anahtarlama ile akım kesilerek ark söndürülür. İyonlaşmış bölgeye hücum eden dielektrik sıvının, erimiş metale temasıyla metalin bir kısmı tanecikler halinde koparak dielektrik sıvının içinde yüzmeye başlar. Böylece bir miktar talaş kaldırılmış ve en yakın iki nokta uzaklaşmış olur.
Akımın verilip kesilmesiyle sürekli bir ark dizisi oluşturularak her defasında farklı bir nokta kopartılır ve şablonun şekli karşıya geçirilir
Şekil 8
Bir süre sonra, mesafenin uzaklaşması yüzünden ark atlayamaz olur. Bu durumda özel servo mekanizması elektrotu iş parçasına yaklaştırır, istenen derinliğe kadar daldırır istenirse geri çeker.
Dielektrik sıvı arkın oluşması ve dar alana hapsedilmesi için gerekli ortamı oluşturduğu gibi, koparılan taneciklerin ortamdan uzaklaştırılması ve açığa çıkan yüksek ısının azaltılmasını sağlar.
Elektrotlara gerilim uygulandığı ve birbirlerine yaklaştırıldığında belirli bir mesafede kıvılcım atlaması olur. Eğer elektrotlar birbirlerine değerse kısa devre olur ve erozyon işlemi gerçekleşmez.
Bir erozyon işlemi, aşağıdaki 9 aşamada adım adım gösterilebilir.
Ayrıca Şekil 9.' da voltaj ve akım değerleri de şekillerde grafik olarak görülebilir
-Elektrot iş parçasına yaklaştırılır.
-Elektriksel alan elektrot ile iş parçası arasındaki en yakın mesafede güçlenir, Şekil - 9' daki en yüksek nokta gibi. Şekil -9' daki grafikte görüldüğü gibi bu durumda voltaj artar fakat akım 0 (sıfır) değerindedir
Şekil 10.' da görüldüğü gibi iyonik parçaların sayısı artar, dielektrik sıvının yalıtkan özelliği kuvvetli elektriksel alanın orta kısmındaki dar bir kanala doğru azalmaya başlar. Voltaj tepe değerine varmıştır, fakat akım hala sıfır değerindedir
Şekil 10
Şekil 11' de gibi akım, sıvının yalıtımı en aza indiğinde akmaya başlar. Voltaj düşmeye başlar.
Şekil 11
Şekil 12.' da görüldüğü gibi akım arttığı gibi bu bölgedeki ısı da süratle artar. Voltaj düşmeye devam eder. Yüksek ısı; sıvının, iş parçasının ve elektrotun bir kısmını buharlaştırır. Elektrot ile iş parçası arasında bir boşalma kanalı oluşturur.
Şekil 12
Şekil 13.'de görüldüğü gibi buhar kabarcıkları dışarıya doğru genişler fakat bu genişleme boşalma kanalındaki iyonların yoğunluğuyla sınırlıdır. Bu iyonlar yapıdaki çok güçlü elektromanyetik alan tarafından çekilir. Akım yükselmeye, voltaj düşmeye devam eder.
Şekil 13
Şekil 14.' de Akım ve voltaj sabitlenir. Yüksek ısı ve basınç içindeki buhar kabarcıkları, maksimuma doğru ulaşır ve bazı metaller uzaklaştırılmaya başlanır. Metal tabakanın altındaki boşalma kolonu, erimiş bölgenin içindedir ve buhar kabarcıklarının basınç alanı içinde tutulur. Boşalma kanalı; buharlaşmış metal, dielektrik sıvı ve karbondan oluşmuş çok sıcak bir plazma ile buradan geçen güçlü bir akımdan oluşur.
Şekil 14
Şekil 15.' de Off time zamanı başlar. Akım ve voltaj sıfıra düşer. Isı hızla azalır. İş parçasından kopartılan erimiş metal parçacıkları (talaşlar) ve buhar kabarcıkları çöker.
Şekil 15.
Şekil 16.’da temiz dielektrik sıvının yoğunluğu artar. İş parçasının yüzeyindeki talaşlar yıkanarak buradan uzaklaştırılır.
Şekil 16
Sonuç olarak,
1-Elektrottan koparılan parçacıklar ile metal yüzeyden uzaklaştırılan küçücük parçacıklar, dielektrik sıvının içerisine dağılırlar.
2-Kalan buharlar yüzeyden yükselir.
3-Off time süresi yetersiz olursa, talaşlar toplanarak dengesiz kıvılcım oluştururlar. Bu durum bir DC ark oluşturabilir ki, elektrot ve iş parçasına zarar verebilir.
4-Artık birbirlerine en yakın olan iki nokta aşınmıştır.
5-Elektrottaki aşınma, iş parçasındaki aşınmaya oranla daha azdır.
6-Elektrottaki aşınma miktarı erozyon parametreleri ile değiştirilebilir.
ELEKTRO EREZYON TEZGAH SEÇİMİNDE DİKKATE ALINACAK HUSUSLAR
1-İşlenecek malzemenin cinsi,
2-İş parçasının boyutları (Tezgah kapasitesinin belirlenmesi için), 3-Kesilecek işin hassasiyeti (Buna göre jeneratör seçimi yapılır), 4-Tezgah kontrol ünitesi (MCU-Machine Control Unit) genelde her firmanın kendine özgü kontrol ünitesi vardır.
5-Açılı kesimler yapılacaksa tezgahın başlığının açılı kesme özelliği dikkate alınmalıdır
6-Gerekiyorsa 6. eksen (Divizörlü kesme), 7-İş parçası bağlama ekipmanları, veller vs.
8-Servis hizmetleri ve teknik destek,
9-Eğitim hizmetleri ve döküman desteği,
10-Kullanım amacına göre havuzlu ya da püskürtmeli tip tezgah seçilmeli
ELEKTRO EROZYON İLE İŞLEME İLE HANGİ MALZEMELER İŞLENİR
1-Sert malzemeler,
2-Kırılgan malzemeler,
3-Yüksek mukavemetli malzemeler,
4-Yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemeler 5-Elektrik ileten tüm metaller
6-Sertleştirilmiş malzemeler 7-Sert maden uçlar
ELEKTRO EROZYON İLE İŞLEME NERELERDE KULLANILIR
1-Kalıp imalatçılar a.Pres kalıpları
b.Enjeksiyon kalıpları c.Dövme kalıpları
d.Ekstrüzyon kalıpları
e.Cıvata başı dövme kalıpları f.Toz sıkıştırma kalıpları
2-Takım endüstrisinde
ELEKTRO EROZYON İLE İŞLEMENİN AVANTAJLARI
1-Kesme kuvveti olmaması,
2-Keskin köşeli bir dörtgen çukur kolaylıkla işlenebilir olması
3-Kompleks formların işlemesinde kolaylık ve yarar sağlar
4-Maliyet düşürmede yarar sağlar 5-Mekanik gerilme oluşmaz
6-Tırlama ve titreşim problemleri oluşmaz 7-Pozisyonlama hatası sıfırdır
ELEKTRO EROZYON İLE
İŞLEMENİN DEZAVANTAJLARI
1-Diğer tezgahlara göre çok yavaş talaş kaldırır,
2-Elektrot hazırlanması için diğer tezgahlara ihtiyaç vardır,
3-Elektrot tüketimi fazla olabilir
