Pengasinan Arus Listrik (EDM): Mekanisme, Prinsip, dan Desain Sirkuit Dijelaskan

Dalam artikel ini kita akan membahas tentang pengasinan arus listrik (EDM):- 1. Pengantar Pengasinan Arus Listrik (EDM) 2. Mekanika EDM 3. Sirkuit EDM dan Prinsip Kerja (Dengan Diagram) 4. Permukaan Akhir dan Akurasi Pemotongan 5. Peran Elektroda Alat dan Cairan Dielektrik dalam EDM 6. Efek EDM pada Permukaan Logam 7. Karakteristik.

Isi:

1. Pengantar Pengasinan Arus Listrik (EDM)
2. Mekanika EDM
3. Sirkuit EDM dan Prinsip Kerja (Dengan Diagram) 
4. Permukaan Akhir dan Akurasi Pemotongan EDM
5. Peran Elektroda Alat dan Cairan Dielektrik dalam EDM 
6. Efek EDM pada Permukaan Logam 
7. Karakteristik EDM

1. Pengantar Pengasinan Arus Listrik (EDM)

Penggunaan sumber energi termoelektrik dalam mengembangkan teknik non-tradisional telah sangat membantu dalam mencapai pemotongan ekonomis dari bahan dengan kemampuan pemotongan sangat rendah dan pekerjaan yang sulit. Proses penghapusan bahan melalui erosi yang terkontrol melalui serangkaian spark listrik, yang umum dikenal sebagai pengasinan arus listrik, pertama kali dimulai di Uni Soviet sekitar tahun 1943. Kemudian, penelitian dan pengembangan telah membawa proses ini ke tingkat saat ini.

Ketika discharge terjadi antara dua titik anoda dan katoda, panas intens yang dihasilkan di sekitar zona mencair dan menguapkan bahan di zona sparking. Untuk meningkatkan efektivitas, workpiece dan alat direndam dalam cairan dielektrik (minyak hidrokarbon atau mineral). Telah diamati bahwa jika kedua elektroda terbuat dari bahan yang sama, elektroda yang terhubung ke terminal positif umumnya aus lebih cepat. Untuk alasan ini, workpiece biasanya dibuat anoda. Celah yang sesuai, dikenal sebagai spark gap, dipertahankan antara permukaan alat dan workpiece.

Spark dibuat untuk discharge pada frekuensi tinggi dengan sumber yang sesuai. Karena spark terjadi di titik di mana permukaan alat dan workpiece paling dekat dan karena titik tersebut berubah setelah setiap spark (karena penghapusan bahan setelah setiap spark), spark bergerak ke seluruh permukaan. Ini menghasilkan penghapusan bahan yang seragam di seluruh permukaan, dan akhirnya permukaan workpiece mengikuti permukaan alat. Jadi, alat menghasilkan impresi yang diperlukan dalam workpiece.

Untuk mempertahankan spark gap yang ditentukan, biasanya digunakan unit kontrol servo. Celah diukur melalui tegangan rata-rata di seluruhnya dan tegangan ini dibandingkan dengan nilai preset. Selisih digunakan untuk mengontrol servomotor. Kadang-kadang, motor stepper digunakan sebagai gantinya. Tentu saja, untuk operasi yang sangat primitif, kontrol solenoid juga mungkin, dan dengan ini, mesin menjadi sangat murah dan sederhana untuk dibangun.

Frekuensi spark biasanya dalam rentang 200-500.000 Hz, spark gap dalam urutan 0,025-0,05 mm. Tegangan puncak di seluruh celah dipertahankan dalam rentang 30-250 volt. mrr hingga 300 mm³ / menit dapat diperoleh dengan proses ini, daya spesifik dalam urutan 10 W / mm³ / menit. Efisiensi dan akurasi kinerja ditemukan meningkat ketika sirkulasi terpaksa dari cairan dielektrik disediakan. Cairan dielektrik yang paling umum digunakan adalah kerosene. Alat umumnya terbuat dari kuningan atau logam campuran tembaga.

2. Mekanika EDM:

Gambar 6.52 menunjukkan detail permukaan elektroda. Meskipun permukaan mungkin terlihat halus, asperitas dan ketidakteraturan selalu ada, seperti yang ditunjukkan (dalam cara yang berlebihan, tentu saja). Akibatnya, celah lokal bervariasi, dan pada suatu saat, celahnya paling kecil di satu titik (katakanlah A). Ketika tegangan yang sesuai dibangun di seluruh alat dan workpiece (katoda dan anoda, masing-masing), medan elektrostatis yang cukup kuat terbentuk, menyebabkan emisi dingin elektron dari katoda di A.

Elektron yang dibebaskan ini mempercepat menuju anoda. Setelah mendapatkan kecepatan yang cukup, elektron bertabrakan dengan molekul cairan dielektrik, memecahnya menjadi elektron dan ion positif. Elektron yang dihasilkan juga mempercepat dan akhirnya dapat melepaskan elektron lain dari molekul cairan dielektrik. Akhirnya, kolom sempit molekul cairan dielektrik yang terionisasi terbentuk di A yang menghubungkan kedua elektroda (menyebabkan lawan elektron, karena konduktivitas kolom yang terionisasi sangat besar, yang biasanya dilihat sebagai spark).

Akibat spark ini, gelombang kejut kompresi dihasilkan dan suhu sangat tinggi berkembang pada elektroda (10.000-12.000°C). Suhu tinggi ini menyebabkan pencairan dan penguapan bahan elektroda, dan logam cair dievakuasi oleh dorongan mekanis, resulting in krater kecil pada kedua elektroda di A. Begitu hal ini terjadi, celah antara elektroda di A bertambah dan lokasi terdekat selanjutnya ada di tempat lain (katakanlah B).

Oleh karena itu, ketika siklus diulang, spark berikutnya terjadi di B. Dengan cara ini, spark membajak seluruh permukaan elektroda dan, akhirnya, proses menghasilkan celah yang seragam. Jadi, tergantung pada bentuk elektroda negatif, impresi dibuat pada elektroda lainnya.

Umumnya, laju penghapusan bahan dari katoda relatif lebih kecil daripada dari anoda karena alasan-alasan berikut:

(i) Momen dengan aliran elektron mengenai anoda jauh lebih besar daripada dari aliran ion positif mengenai katoda meskipun massa elektron individu lebih kecil dari ion positif.

(ii) Pirolysis cairan dielektrik (biasanya hidrokarbon) menciptakan lapisan tipis karbon pada katoda.

(iii) Gaya kompresi berkembang pada permukaan katoda. Oleh karena itu, biasanya, alat terhubung ke terminal negatif sumber dc.

Jika alat diam relatif terhadap workpiece, celah bertambah seiring berjalannya penghapusan bahan, memerlukan peningkatan tegangan untuk memulai spark. Untuk menghindari masalah ini, alat dipasok dengan bantuan drive servo yang merasakan magnitudo celah rata-rata dan menjaganya konstan.

Dalam yang berikut, kita akan mencoba menentukan secara teoretis laju penghapusan bahan selama pengasinan arus listrik. Dalam melakukan ini, meskipun hasil kuantitatif tidak akan diperoleh, banyak fitur penting akan menjadi jelas. Untuk saat ini, cukup untuk memahami efek hanya satu spark.

Jumlah penghapusan bahan karena satu discharge dapat ditentukan dengan mempertimbangkan diameter krater dan kedalaman yang tercapai suhu leleh.

Untuk melakukan ini, kita akan membuat asumsi-asumsi berikut:

(i) Spark adalah sumber panas lingkaran seragam pada permukaan elektroda dan diameter (=2a) dari sumber lingkaran ini tetap konstan.

(ii) Permukaan elektroda adalah wilayah semi-tak terhingga.

(iii) Kecuali untuk bagian sumber panas, permukaan elektroda terisolasi.

(iv) Laju input panas tetap konstan selama durasi discharge.

(v) Properti bahan elektroda tidak berubah dengan suhu.

(vi) Penguapan bahan elektroda diabaikan.

Gambar 6.53 menunjukkan detail sumber panas ideal. Dalam analisis kami, H- jumlah input panas (cal), θ = suhu (°C), t = waktu (detik), k=konduktivitas termal (cal/cm-detik-°C), α = difusivitas termal (cm²/detik), t_d = durasi discharge (detik), dan θ_m = suhu leleh (°C).

Karena simmetri lingkaran, suhu pada setiap titik bergantung pada r dan z. Persamaan konduksi panas adalah –

Karena, secara intuitif, dapat dilihat bahwa kedalaman yang tercapai suhu leleh adalah maksimum di pusat, minat kita ada pada solusi pada r = 0. Suhu pada titik pada sumbu pada akhir discharge (asumsi bahwa suhu maksimum tercapai pada t = t_d karena input panas berhenti pada saat ini) diberikan oleh –

Jadi, jelas bahwa Z memberikan indikasi volume bahan yang dihapus oleh setiap spark. Gambar 6.54a menunjukkan nilai teoretis Z untuk energi spark tertentu dan diameter spark konstan untuk Cu, Al, dan Zn sebagai bahan elektroda. Gambar 6.54b menggambarkan sifat aktual variasi volume krater dengan t_d untuk energi spark yang berbeda. Trennya cukup mirip.

Salah satu fitur penting yang menjadi jelas dari hasil ini adalah bahwa penghapusan bahan sangat rendah untuk waktu discharge yang kecil dan meningkat dengan t_d. Kemudian, mencapai nilai puncak, tiba-tiba menurun ke nol. Juga, telah terbukti bahwa bahan yang dihapus per discharge sangat bergantung pada titik leleh bahan.

Efek kavitasi dalam proses penghapusan mekanis juga penting. mrr selama satu spark dirangkai terhadap waktu seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6.55. Jelas, mrr maksimum ketika tekanan di bawah atmosfer, menunjukkan pentingnya kavitasi.

Untuk mendapatkan estimasi kasar, hubungan empiris telah dikembangkan untuk laju penghapusan bahan selama EDM. Karena ukuran krater bergantung pada energi spark (asumsi semua kondisi lainnya tetap tidak berubah), kedalaman dan diameter krater diberikan oleh –

Dalam hubungan ini, kita telah mengasumsikan kondisi spark rata-rata.

mrr juga sangat bergantung pada sirkulasi cairan dielektrik. Tanpa sirkulasi terpaksa, partikel aus berulang kali mencair dan berekombinasi dengan elektroda. Gambar 6.56 menunjukkan sifat karakteristik mrr tanpa dan dengan sirkulasi terpaksa cairan dielektrik.

Setelah discharge selesai, medium dielektrik di sekitar spark terakhir harus diizinkan untuk deionisasi. Untuk ini, tegangan di seluruh celah harus dipertahankan di bawah tegangan discharge sampai deionisasi selesai; jika tidak, arus kembali mengalir melalui celah di lokasi discharge sebelumnya. Waktu yang diperlukan untuk deionisasi lengkap bergantung pada energi yang dilepaskan oleh discharge sebelumnya. Rilis energi yang lebih besar menghasilkan waktu deionisasi yang lebih lama.

3. Sirkuit EDM dan Prinsip Kerja (Dengan Diagram):

Beberapa sirkuit listrik yang dasar berbeda tersedia untuk menyediakan dc berdenyut di seluruh celah alat-workpiece. Meski karakteristik operasionalnya berbeda, dalam hampir semua sirkuit semacam itu sebuah kapasitor digunakan untuk menyimpan muatan listrik sebelum discharge terjadi di seluruh celah. Kesesuaian sirkuit bergantung pada kondisi dan kebutuhan pemotongan.

Prinsip yang umum digunakan untuk menyediakan dc berdenyut dapat diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok berikut:

(i) Sirkuit relaksasi resistansi-kapasitor dengan sumber dc konstan.

(ii) Generator impuls rotary.

(iii) Sirkuit pulsa terkontrol.

(i) Sirkuit Relaksasi Resistansi-Kapasitor:

Sirkuit relaksasi resistansi-kapasitor digunakan ketika mesin pengasinan arus listrik pertama kali dikembangkan. Gambar 6.57a menunjukkan sirkuit RC sederhana. Seperti yang jelas dari gambar ini, kapasitor C (yang dapat bervariasi) diisi melalui resistansi variabel R oleh sumber dc dengan tegangan V₀.

Tegangan di seluruh celah (yang hampir sama dengan di seluruh kapasitor) V bervariasi dengan waktu sesuai dengan hubungan di mana t menunjukkan waktu mulai dari saat V₀ diterapkan.

Jadi, V akan mendekati V₀ secara asimtotis, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6.57b, jika diizinkan. Jika celah alat-workpiece dan cairan dielektrik sedemikian rupa sehingga spark dapat terjadi ketika tegangan di seluruh celah mencapai nilai V_d (umum dikenal sebagai tegangan discharge), spark akan terjadi, mengosongkan kapasitor sepenuhnya setiap kali tegangan di seluruh celah alat-workpiece (V) mencapai V_d.

Waktu discharge jauh lebih kecil (sekitar 10%) daripada waktu pengisian dan frekuensi sparking (v) sekitar diberikan oleh persamaan berikut (karena waktu yang diperlukan untuk deionisasi juga sangat kecil dalam keadaan normal) –

Jadi, untuk pengiriman daya maksimum, tegangan discharge harus 72% dari tegangan pasokan V₀.

Jika kita asumsikan bahan yang dihapus per spark proporsional dengan energi yang dilepaskan per spark, maka mrr dapat dinyatakan sebagai –

(ii) Generator Impuls Rotary:

Sirkuit relaksasi untuk pembuatan spark, meskipun sederhana, memiliki beberapa kelemahan. Salah satu kelemahan penting adalah bahwa mrr tidak tinggi. Untuk meningkatkan laju penghapusan, generator impuls digunakan untuk pembuatan spark. Gambar 6.59 menunjukkan skematis sistem semacam itu. Kapasitor diisi melalui dioda selama setengah siklus pertama. Selama setengah siklus berikutnya, jumlah tegangan yang dihasilkan oleh generator dan kapasitor yang diisi diterapkan ke celah alat-workpiece.

Frekuensi operasional adalah frekuensi pembuatan gelombang sinus yang bergantung pada kecepatan motor. Meskipun mrr lebih tinggi, sistem semacam ini tidak menghasilkan finishing permukaan yang baik.

(iii) Sirkuit Pulsa Terkontrol:

Dalam dua sistem yang kita bahas, tidak ada persediaan untuk pencegahan otomatis arus ketika short circuit terjadi. Untuk mencapai kontrol otomatis semacam itu, tabung vacuum (atau transistor) digunakan sebagai perangkat pengalih. Sistem ini dikenal sebagai sirkuit pulsa terkontrol. Gambar 6.60 secara skematis menunjukkan sistem semacam itu. Selama sparking, arus yang mengalir melalui celah berasal dari kapasitor.

Ketika arus mengalir melalui celah, Valve Tube (VT) bias untuk cut off dan berperilaku seperti resistansi tak terhingga. Kontrol bias dilakukan melalui Electronic Control (EC). Begitu arus di celah berhenti, konduktivitas tabung meningkat, mengizinkan arus untuk mengisi kapasitor untuk siklus berikutnya.

Sirkuit dapat disederhanakan dan stabilitas operasional ditingkatkan jika aliran arus diizinkan secara siklus dengan frekuensi yang diimpos. Ini dapat dilakukan dengan mengontrol bias dengan bantuan osilator. Dalam hal ini, kapasitor tidak diperlukan. Gambar 6.61 menunjukkan sirkuit semacam itu, menggunakan transistor.

4. Permukaan Akhir dan Akurasi Pemotongan EDM:

Karena penghapusan bahan dalam EDM dicapai melalui pembentukan krater karena spark, jelas bahwa ukuran krater yang besar (terutama kedalaman) menghasilkan permukaan yang kasar. Jadi, ukuran krater, yang terutama bergantung pada energi / spark, mengontrol kualitas permukaan. Gambar 6.62 menunjukkan bagaimana H_rms (nilai akar kuadrat rata-rata ketidakteraturan permukaan) bergantung pada C dan V₀.

Kedalaman krater (h_c) dapat dieksperesikan secara aproksimat dalam hal energi yang dilepaskan per spark (E) sebagai –

Ketergantungan finishing permukaan pada energi pulsa E dan perbandingan finishing permukaan dengan yang diperoleh oleh proses konvensional ditunjukkan dalam Gambar 6.63. Banyak upaya telah dihabiskan untuk menentukan hubungan yang sesuai antara laju penghapusan bahan dan kualitas finishing permukaan. Namun hubungan yang sangat andal yang dapat diterapkan secara umum masih belum muncul. Namun, mrr dan ketidakteraturan permukaan, saat memotong baja dalam kondisi normal, secara aproksimat terkait sebagai –

Di mana H_rms adalah akar kuadrat rata-rata ketidakteraturan permukaan dalam mikron dan Q adalah laju penghapusan bahan dalam mm³ / menit.

Sirkulasi terpaksa dari dielektrik ditemukan umumnya meningkatkan finishing permukaan. Penampang permukaan elektroda kuningan yang dihasilkan oleh EDM dengan dan tanpa sirkulasi terpaksa (tegangan 40 V, arus 0,2 A, frekuensi 1,12 kHz) ditunjukkan dalam Gambar 6.64. Jelas bahwa sirkulasi terpaksa menghasilkan peningkatan yang signifikan dalam finishing permukaan.

5. Peran Elektroda Alat dan Cairan Dielektrik dalam EDM:

Elektroda memainkan peran yang sangat penting dalam operasi EDM, dan oleh karena itu beberapa aspek elektroda alat harus diingat untuk mencapai hasil yang lebih baik.

a. Aus Elektroda Alat:

Selama operasi EDM, elektroda (yaitu, alat), seperti yang sudah disebutkan, juga aus karena tindakan sparking. Bahan yang memiliki karakteristik aus elektroda yang baik adalah yang sama dengan yang biasanya sulit dipotong. Salah satu bahan utama yang digunakan untuk alat adalah grafit yang langsung ke fase uap tanpa mencair. Rasio aus (r_Q), yang didefinisikan sebagai rasio bahan yang dihapus dari workpiece terhadap bahan yang dihapus dari alat, ditemukan terkait dengan r_θ (= titik leleh workpiece / titik leleh alat) sebagai –

b. Bahan Elektroda:

Pilihan bahan elektroda bergantung pada:

(i) Laju penghapusan bahan,

(ii) Rasio aus,

(iii) Kemudahan pembentukan elektroda,

(iv) Biaya.

Bahan elektroda yang paling umum digunakan adalah kuningan, tembaga, grafit, logam campuran Al, logam campuran tembaga-tungsten, dan logam campuran perak-tungsten.

Metode yang digunakan untuk membuat elektroda adalah:

(i) Pemotongan konvensional (digunakan untuk tembaga, kuningan, logam campuran Cu-W, logam campuran Ag-W, dan grafit),

(ii) Cor (digunakan untuk logam campuran cor basis Zn, logam campuran Zn-Sn, dan logam campuran Al),

(iii) Penyemprotan logam,

(iv) Pembentukan tekan.

Lubang aliran biasanya disediakan untuk sirkulasi dielektrik, dan lubang ini harus sebesar mungkin untuk rough cut untuk mengizinkan laju aliran yang besar pada tekanan rendah.

c. Cairan Dielektrik:

Persyaratan dasar dari cairan dielektrik ideal adalah:

(i) Viskositas rendah,

(ii) Tanpa uap toksik,

(iii) Netralitas kimia,

(iv) Tanpa kecenderungan terbakar,

(v) Biaya rendah.

Air biasa memiliki hampir semua properti ini, tetapi karena menyebabkan karat pada workpiece dan mesin, tidak digunakan. Alasan lain mengapa air tidak direkomendasikan adalah sebagai berikut. Elektroda selalu berada di bawah beberapa perbedaan potensi, dan karena konduktivitas air yang baik, proses ECM mulai merusak workpiece. Juga, daya terbuang sia-sia. Namun, dalam beberapa kasus, air deionisasi digunakan.

Tipe cairan yang paling umum digunakan adalah minyak hidrokarbon (petroleum). Kerosene, parafin cair, dan minyak silikon juga digunakan sebagai cairan dielektrik.

6. Efek EDM pada Permukaan Logam:

Suhu tinggi yang dihasilkan oleh spark menyebabkan pencairan dan penguapan logam dan, jelas, suhu tinggi ini mempengaruhi properti lapisan dangkal (2,5-150μm) permukaan yang dipotong.

Lapisan terluar dingin dengan cepat, dan oleh karena itu sangat keras. Lapisan di bawahnya langsung berada dalam kondisi tempered sedikit. Gambar 6.67 menunjukkan variasi kekerasan dengan kedalaman untuk operasi EDM rough dan finish pada baja. Jelas bahwa dalam finish machining hardening semacam ini tidak mencolok. Namun, lapisan luar diperlakukan dan kekerasan rendah.

Hardening lapisan permukaan selama operasi EDM memberikan karakteristik aus yang lebih baik. Namun, kekuatan fatigue berkurang karena mikroretakan yang berkembang dalam lapisan permukaan selama pendinginan. Gambar 6.68 menunjukkan perbandingan antara kekuatan fatigue bagian identik yang dihasilkan oleh milling konvensional dan EDM. Properti lapisan permukaan tipis tidak memiliki banyak efek pada kekuatan tarik. Struktur mereka bertransformasi dan, karena spark, komposisi kimia mereka berubah beberapa derajat. Ini biasanya mengurangi resistensi erosi.

7. Karakteristik EDM: