Electric Discharge Machining (EDM):Mekanika, Prinsip Kerja, dan Sirkuit (Dengan Diagram)

Penggunaan sumber energi termoelektrik dalam mengembangkan teknik non-tradisional telah sangat membantu dalam mencapai pemesinan yang ekonomis dari bahan yang mampu mesin sangat rendah dan pekerjaan yang sulit. Proses pemindahan material dengan erosi yang terkendali melalui serangkaian percikan listrik, umumnya dikenal sebagai pemesinan pelepasan listrik, pertama kali dimulai di Uni Soviet sekitar tahun 1943. Kemudian, penelitian dan pengembangan telah membawa proses ini ke tingkat yang sekarang.

Ketika pelepasan terjadi antara dua titik anoda dan katoda, panas intens yang dihasilkan di dekat zona meleleh dan menguapkan bahan di zona percikan. Untuk meningkatkan efektivitas, benda kerja dan pahat 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 terkikis lebih cepat. Untuk alasan ini, benda kerja biasanya dibuat anoda. Celah yang sesuai, yang dikenal sebagai celah percikan, dipertahankan antara pahat dan permukaan benda kerja.

Percikan api dibuat untuk melepaskan pada frekuensi tinggi dengan sumber yang sesuai. Karena percikan terjadi di tempat di mana permukaan pahat dan benda kerja paling dekat dan karena titik itu berubah setelah setiap percikan (karena pelepasan material setelah setiap percikan), percikan menyebar ke seluruh permukaan. Ini menghasilkan pemindahan material yang seragam di seluruh permukaan, dan akhirnya permukaan kerja sesuai dengan permukaan pahat. Dengan demikian, pahat menghasilkan kesan yang diperlukan pada benda kerja.

Untuk mempertahankan celah percikan yang telah ditentukan, unit kontrol servo umumnya digunakan. Kesenjangan dirasakan melalui tegangan rata-rata di atasnya dan tegangan ini dibandingkan dengan nilai yang telah ditetapkan. Perbedaannya digunakan untuk mengontrol servomotor. Terkadang, motor stepper digunakan sebagai pengganti servomotor. Tentu saja, untuk operasi yang sangat primitif, kontrol solenoida juga dimungkinkan, dan dengan ini, mesin menjadi sangat murah dan mudah dibuat.

Frekuensi percikan biasanya dalam kisaran 200-500.000 Hz, celah percikan berada pada urutan 0,025-0,05 mm. Tegangan puncak melintasi celah dijaga pada kisaran 30-250 volt. Sebuah mrr hingga 300 mm ³ / mnt dapat diperoleh dengan proses ini, daya spesifiknya adalah orde 10 W / mm ³ / menit Efisiensi dan akurasi kinerja telah ditemukan untuk meningkatkan ketika sirkulasi paksa dari cairan dielektrik disediakan. Fluida dielektrik yang paling umum digunakan adalah minyak tanah. Alat ini umumnya terbuat dari kuningan atau paduan tembaga.

---

2. Mekanisme EDM:

Gambar 6.52 menunjukkan detail permukaan elektroda. Meskipun permukaannya mungkin tampak halus, kekasaran dan ketidakteraturan selalu ada, seperti yang ditunjukkan (tentu saja dengan cara yang dilebih-lebihkan). Akibatnya, kesenjangan lokal bervariasi, dan pada saat tertentu, itu minimum pada satu titik (katakanlah, A). Ketika Tegangan yang sesuai dibangun di seluruh pahat dan benda kerja (masing-masing katoda dan anoda), medan elektrostatik dengan kekuatan yang cukup terbentuk, menyebabkan emisi dingin elektron dari katoda di A.

Elektron yang dibebaskan ini berakselerasi 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 pada akhirnya dapat mengeluarkan elektron lain dari molekul cairan dielektrik. Pada akhirnya, kolom sempit molekul cairan dielektrik terionisasi didirikan di A yang menghubungkan dua elektroda (menyebabkan longsoran elektron, karena konduktivitas kolom terionisasi sangat besar, yang biasanya terlihat sebagai percikan).

Sebagai hasil dari percikan ini, gelombang kejut kompresi dihasilkan dan suhu yang sangat tinggi terjadi pada elektroda (10.000-12.000 °C). Ini tinggi suhu menyebabkan pencairan dan penguapan bahan elektroda, dan logam cair dievakuasi oleh ledakan mekanis, menghasilkan kawah kecil pada kedua elektroda di A. Segera setelah ini terjadi, celah antara elektroda di A meningkat dan yang berikutnya lokasi celah terpendek adalah di tempat lain (katakanlah, B).

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

Umumnya, laju pemindahan material dari katoda relatif lebih kecil daripada dari anoda karena alasan berikut:

(i) Momentum aliran elektron yang menumbuk anoda jauh lebih besar daripada momentum aliran ion positif yang mengenai katoda meskipun massa elektron individu lebih kecil daripada massa ion positif.

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

(iii) Sebuah gaya tekan dikembangkan pada permukaan katoda. Oleh karena itu, biasanya alat dihubungkan ke terminal negatif sumber dc.

Jika pahat tidak bergerak relatif terhadap benda kerja, celah meningkat seiring dengan berlangsungnya pemindahan material, yang memerlukan peningkatan tegangan untuk memulai percikan api. Untuk menghindari masalah ini, pahat diumpankan dengan bantuan penggerak servo yang mendeteksi besarnya celah rata-rata dan menjaganya tetap konstan.

Berikut ini, kita akan mencoba penentuan teoritis dari laju pelepasan material selama pemesinan pelepasan listrik. Dengan melakukan itu, meskipun hasil kuantitatif tidak akan diperoleh, banyak fitur penting akan menjadi jelas. Untuk saat ini, itu akan cukup untuk memahami efek dari hanya satu percikan.

Kuantitas pemindahan material karena pelepasan tunggal dapat ditentukan dengan mempertimbangkan diameter kawah dan kedalaman di mana suhu leleh tercapai.

Untuk melakukan ini, kita akan membuat asumsi berikut:

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

(ii) Permukaan elektroda adalah daerah semi-tak terbatas.

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

(iv) Laju masukan panas tetap konstan selama durasi pelepasan.

(v) Sifat bahan elektroda tidak berubah dengan suhu.

(vi) Penguapan bahan elektroda diabaikan.

Gambar 6.53 menunjukkan rincian sumber panas ideal. Dalam analisis kami, H- jumlah masukan panas (kal), =suhu (°C), t =waktu (dtk), k=konduktivitas termal (kal/cm-dtk-°C), =difusivitas termal (cm ² /detik), t_d =durasi debit (dtk), dan _m =suhu leleh (°C).

Karena simetri melingkar, suhu di setiap titik bergantung pada r dan z. Persamaan untuk konduksi panas adalah –

Karena, secara intuitif, dapat dilihat bahwa kedalaman yang mencapai suhu leleh maksimum di pusat, perhatian kami terletak pada solusi pada r =0. Suhu pada suatu titik pada sumbu di ujung pelepasan ( dengan asumsi suhu maksimum tercapai pada t =t_d saat masukan panas berhenti pada saat ini) diberikan oleh –

Jadi, jelas bahwa Z memberikan indikasi volume material yang dihilangkan oleh setiap percikan. Gambar 6.54a menunjukkan nilai teoritis Z untuk energi percikan yang diberikan dan diameter percikan konstan untuk Cu, Al, dan Zn sebagai bahan elektroda. Gambar 6.54b menggambarkan sifat sebenarnya dari variasi volume kawah dengan t_d untuk energi percikan yang berbeda. Trennya cukup mirip.

Salah satu fitur penting yang menjadi bukti dari hasil ini adalah bahwa pemindahan material sangat rendah untuk waktu pengosongan yang kecil dan meningkat dengan t_d . Kemudian, mencapai nilai puncak, tiba-tiba turun ke nol. Juga, telah ditetapkan bahwa material yang dikeluarkan per pelepasan sangat bergantung pada titik leleh material.

Efek kavitasi dalam proses penghilangan mekanis juga penting. Mrr selama percikan tunggal diplot terhadap waktu adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6.55. Jelas, mrr maksimum ketika tekanan di bawah atmosfer, menunjukkan pentingnya kavitasi.

Untuk sampai pada perkiraan kasar, hubungan empiris telah dikembangkan untuk laju penyisihan material selama EDM. Karena ukuran kawah tergantung pada energi percikan (dengan asumsi semua kondisi lain tetap tidak berubah), kedalaman dan diameter kawah diberikan oleh –

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

mrr juga sangat tergantung pada sirkulasi cairan dielektrik. Tanpa sirkulasi paksa, partikel aus berulang kali meleleh dan bersatu kembali dengan elektroda. Gambar 6.56 menunjukkan sifat karakteristik mrr tanpa dan dengan sirkulasi paksa dielektrik.

Setelah pelepasan selesai, media dielektrik di sekitar percikan terakhir harus dibiarkan terdeionisasi. Untuk ini, tegangan melintasi celah harus dijaga di bawah tegangan pelepasan sampai deionisasi selesai; jika tidak, arus kembali mengalir melalui celah di lokasi pelepasan sebelumnya. Waktu yang diperlukan untuk deionisasi lengkap tergantung pada energi yang dilepaskan oleh pelepasan sebelumnya. Pelepasan energi yang lebih besar menghasilkan waktu deionisasi yang lebih lama.

---

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

Beberapa sirkuit listrik yang pada dasarnya berbeda tersedia untuk menyediakan dc yang berdenyut melintasi celah alat kerja. Meskipun karakteristik operasionalnya berbeda, di hampir semua rangkaian seperti itu kapasitor digunakan untuk menyimpan muatan listrik sebelum pelepasan terjadi melintasi celah. Kesesuaian sirkuit tergantung pada kondisi dan persyaratan pemesinan.

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

(i) Rangkaian relaksasi resistansi-kapasitansi dengan sumber dc konstan.

(ii) Generator impuls putar.

(iii) Rangkaian pulsa terkontrol.

(i) Sirkuit Relaksasi Resistansi-Kapasitas:

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

Tegangan melintasi celah (yang hampir sama dengan tegangan melintasi kapasitor) V berubah terhadap waktu sesuai dengan hubungan di mana t menunjukkan waktu yang dimulai pada saat V₀ diterapkan.

Jadi, V akan mendekati V₀ asimtotik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6.57b, jika diizinkan untuk melakukannya. Jika celah kerja alat dan cairan dielektrik sedemikian rupa sehingga percikan dapat terjadi ketika tegangan melintasi celah mencapai nilai V_d (umumnya dikenal sebagai tegangan pelepasan), percikan akan terjadi, pengosongan kapasitor sepenuhnya setiap kali tegangan melintasi celah kerja alat (V) mencapai V_d .

Waktu pengosongan jauh lebih kecil (sekitar 10%) daripada waktu pengisian dan frekuensi percikan (v) kira-kira diberikan oleh persamaan berikut (karena waktu yang dibutuhkan untuk deionisasi juga sangat kecil dalam keadaan normal) –

Jadi, untuk pengiriman daya maksimum, tegangan pelepasan harus 72% dari tegangan suplai V₀ .

Jika kita menganggap material yang dikeluarkan per percikan sebanding dengan energi yang dilepaskan per percikan, maka mrr dapat dinyatakan sebagai –

(ii) Generator Impuls Putar:

Sirkuit relaksasi untuk pembangkitan bunga api, meskipun sederhana, memiliki kelemahan tertentu. Dari jumlah tersebut, kelemahan penting adalah bahwa mrr tidak tinggi. Untuk meningkatkan laju pelepasan, generator impuls digunakan untuk menghasilkan percikan. Gambar 6.59 menunjukkan diagram skema dari sistem tersebut. Kapasitor diisi melalui dioda selama setengah siklus pertama. Selama setengah siklus berikutnya, jumlah tegangan yang dihasilkan oleh generator dan kapasitor yang diisi daya diterapkan ke celah alat kerja.

Frekuensi operasi adalah frekuensi pembangkitan gelombang sinus yang bergantung pada kecepatan motor. Meskipun mrr lebih tinggi, sistem seperti itu tidak menghasilkan permukaan akhir yang baik.

(iii) Sirkuit Pulsa Terkendali:

Dalam dua sistem yang telah kita diskusikan, tidak ada ketentuan untuk pencegahan otomatis aliran arus ketika terjadi hubung singkat. Untuk mencapai kontrol otomatis seperti itu, tabung vakum (atau transistor) digunakan sebagai perangkat switching. Sistem ini dikenal sebagai rangkaian pulsa terkontrol. Gambar 6.60 secara skematis menunjukkan sistem seperti itu. Selama percikan, arus yang mengalir melalui celah berasal dari kapasitor.

Ketika arus mengalir melalui celah, Tabung Katup (VT) dibias untuk memotong dan berperilaku seperti resistansi tak terbatas. Kontrol bias dilakukan melalui Electronic Control (EC). Segera setelah arus di celah berhenti, konduktivitas tabung meningkat, memungkinkan aliran arus untuk mengisi kapasitor untuk siklus berikutnya.

Sirkuit dapat disederhanakan dan stabilitas operasi ditingkatkan jika aliran arus diizinkan secara siklis dengan frekuensi yang dipaksakan. Ini dapat dilakukan dengan mengendalikan bias dengan bantuan osilator. Dalam hal ini, kapasitor tidak diperlukan. Gambar 6.61 menunjukkan rangkaian seperti itu, menggunakan transistor.

---

4. Permukaan Finish dan Akurasi Pemesinan EDM:

Karena penghilangan material di EDM dicapai melalui pembentukan kawah karena percikan api, jelas bahwa ukuran kawah yang besar (terutama kedalamannya) menghasilkan permukaan yang kasar. Jadi, ukuran kawah, yang terutama bergantung pada energi / percikan, mengontrol kualitas permukaan. Gambar 6.62 menunjukkan bagaimana H_rms (nilai akar rata-rata kuadrat dari ketidakrataan permukaan) tergantung pada C dan V₀ .

Kedalaman kawah (h_c ) dapat diekspresikan dalam bentuk energi yang dilepaskan per percikan (E) sebagai –

Ketergantungan permukaan akhir pada energi pulsa E dan perbandingan permukaan akhir dengan yang diperoleh dengan proses konvensional ditunjukkan pada Gambar 6.63. Banyak upaya telah dihabiskan untuk menentukan hubungan yang sesuai antara tingkat pemindahan material dan kualitas permukaan akhir. Tetapi hubungan yang sangat dapat diandalkan dari penerapan umum belum muncul. Namun, mrr dan ketidakrataan permukaan, saat mengerjakan baja dalam kondisi normal, kira-kira terkait sebagai –

Dimana H_rms adalah akar rata-rata kuadrat dari ketidakrataan permukaan dalam mikron dan Q adalah laju pemindahan material dalam mm ³ / menit

Sirkulasi paksa dielektrik telah ditemukan secara umum meningkatkan permukaan akhir. Penampang dari permukaan elektroda kuningan yang dihasilkan oleh EDM dengan dan tanpa sirkulasi paksa (tegangan 40 V, arus 0,2 A, frekuensi 1,12 kHz) ditunjukkan pada Gambar 6.64. Jelas bahwa sirkulasi paksa mengarah pada peningkatan yang signifikan pada permukaan akhir.

---

5. Peran Elektroda Alat dan Cairan Dielektrik dalam EDM:

Elektroda memainkan peran yang sangat penting dalam operasi EDM, oleh karena itu aspek tertentu dari elektroda pahat harus diingat untuk mencapai hasil yang lebih baik.

a. Keausan Elektroda Alat:

Selama operasi EDM, elektroda (yaitu, alat), seperti yang telah disebutkan, juga terkikis karena aksi percikan. Bahan yang memiliki karakteristik keausan elektroda yang baik sama dengan bahan yang umumnya sulit untuk dikerjakan. Salah satu bahan utama yang digunakan untuk alat ini adalah grafit yang langsung menuju fase uap tanpa meleleh. Rasio keausan (r_Q ), yang ditentukan oleh rasio material yang dipindahkan dari pekerjaan dengan material yang dikeluarkan dari pahat, ditemukan berhubungan dengan r_θ (=titik lebur benda kerja / titik leleh pahat) sebagai –

b. Bahan Elektroda:

Pemilihan bahan elektroda tergantung pada:

(i) Tingkat pemindahan material,

(ii) Rasio keausan,

(iii) Kemudahan membentuk elektroda,

(iv) Biaya.

Bahan elektroda yang paling umum digunakan adalah kuningan, tembaga, grafit, paduan A1, paduan tembaga-tungsten, dan paduan perak-tungsten.

Metode yang digunakan untuk membuat elektroda adalah:

(i) Pemesinan konvensional (digunakan untuk tembaga, kuningan, paduan Cu-W, paduan Ag-W, dan grafit),

(ii) Pengecoran (digunakan untuk paduan die casting dasar Zn, paduan Zn-Sn, dan paduan Al),

(iii) Penyemprotan logam,

(iv) Pembentukan pers.

Lubang aliran biasanya disediakan untuk sirkulasi dielektrik, dan lubang ini harus sebesar mungkin untuk pemotongan kasar untuk memungkinkan laju aliran besar pada tekanan rendah.

c. Cairan Dielektrik:

Persyaratan dasar fluida dielektrik yang ideal adalah:

(i) Viskositas rendah,

(ii) Tidak adanya uap beracun,

(iii) Netralitas kimia,

(iv) Tidak adanya tendensi inflamasi,

(v) Biaya rendah.

Air biasa memiliki hampir semua sifat ini, tetapi karena menyebabkan karat pada pekerjaan dan mesin, air tidak digunakan. Alasan lain mengapa air tidak dianjurkan adalah sebagai berikut. Elektroda secara konstan berada di bawah beberapa perbedaan potensial, dan karena konduktivitas air yang baik, proses ECM mulai mendistorsi benda kerja. Selain itu, tenaga juga terbuang percuma. Namun, dalam beberapa kasus, air deionisasi digunakan.

Jenis fluida yang paling umum digunakan adalah minyak hidrokarbon (minyak bumi). Minyak tanah, parafin cair, dan minyak silikon juga digunakan sebagai cairan dielektrik.

---

6. Pengaruh EDM pada Permukaan Logam:

Temperatur tinggi yang dihasilkan oleh percikan api menyebabkan pelelehan dan penguapan logam dan, tentu saja, temperatur tinggi ini mempengaruhi sifat-sifat lapisan dangkal (2,5-150μm) dari permukaan yang dikerjakan.

Lapisan terluar dengan cepat didinginkan, dan karena itu sangat keras. Lapisan tepat di bawah ini dalam kondisi agak marah. Gambar 6.67 menunjukkan variasi kekerasan dengan kedalaman untuk operasi EDM kasar dan akhir pada baja. Jelas bahwa dalam pemesinan akhir, pengerasan seperti itu tidak menonjol. Namun, lapisan luarnya ditempa dan kekerasannya rendah.

Pengerasan lapisan permukaan selama operasi EDM memberikan karakteristik ketahanan aus yang lebih baik. Namun, kekuatan lelah berkurang karena retakan mikro yang berkembang di lapisan permukaan selama pendinginan. Gambar 6.68 menunjukkan perbandingan antara kekuatan lelah bagian identik yang dihasilkan oleh penggilingan konvensional dan EDM. Sifat lapisan permukaan tipis tidak banyak berpengaruh pada kekuatan tarik. Strukturnya berubah dan, karena percikan api, komposisi kimianya berubah sampai batas tertentu. Ini umumnya mengurangi ketahanan erosi.

---

7. Karakteristik EDM: