Erosione a scintilla con WC prodotto con la produzione additiva

Jun 21, 2023

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I ricercatori stanno ora sfruttando ulteriormente il potenziale della produzione additiva per produrre elettrodi per utensili in carburo di tungsteno-cobalto per la lavorazione a scarica elettrica con un occhio alle applicazioni industriali.

La crescente complessità dei componenti e i continui progressi nella costruzione di utensili e stampi richiedono sviluppi costanti nei processi di produzione come l'elettroerosione (EDM). Ciò avviene, ad esempio, attraverso lo sviluppo di nuovi tipi di catene di processo per la produzione di elettrodi per utensili complessi. La produzione additiva (AM) consente la produzione di geometrie di elettrodi per utensili complesse con canali di lavaggio interni per processi di elettroerosione con poche restrizioni in termini di progettazione. Il carburo di tungsteno-cobalto (WC-Co) rappresenta un materiale adatto per gli elettrodi per utensili EDM che ha un'elevata stabilità termica e meccanica e può anche essere lavorato in modo additivo. Questo articolo mostra i primi risultati degli studi sull’uso di elettrodi per utensili WC-Co prodotti mediante produzione additiva nell’elettroerosione a tuffo. Sono coinvolti l'Istituto per le macchine utensili e la gestione delle fabbriche IWF dell'Università Tecnica di Berlino e l'Istituto Fraunhofer per i sistemi di produzione e la tecnologia di progettazione IPK.

Dott.-Ing. M. Polte, Ingegnere Senior, IWF, Università Tecnica di Berlino; R. Hörl, M. Sc., assistente di ricerca, IFW, Università Tecnica di Berlino; R. Bolz, M. Sc., ricercatore associato, IWF, Università Tecnica di Berlino; Gi. Braun, M. Sc., ricercatore associato, IWF, Università Tecnica di Berlino; RJ Neuschäfer, B. Sc., assistente scienziato, FMI, Università tecnica di Berlino

Precedenti studi ([1], [2] e [3]) sul processo AM Laser Powder Bed Fusion di materiale WC-Co hanno dimostrato un'influenza della densità di energia Ev sul contenuto di cobalto CCo dei campioni prodotti. Nel presente studio, gli elettrodi per utensili sono stati prodotti mediante processo AM con camera di lavorazione preriscaldata e WC-Co 83/17 (come materiale in polvere) e questi sono stati analizzati per quanto riguarda la loro influenza sul processo EDM.

Variando la densità di energia nell'intervallo 300 J/mm3 ≤ Ev ≤ 900 J/mm3 in quattro fasi, sono stati influenzati il ​​contenuto di cobalto CCo e le proprietà materiali associate dei componenti come la densità relativa ρrel e la conduttività elettrica κ. Per ciascuna densità di energia Ev, sono stati fabbricati due campioni e analizzati di conseguenza. Per valutare l'idoneità all'elettroerosione a tuffo, sono stati eseguiti ulteriori test con elettrodi per utensili realizzati con la produzione additiva. I campioni sono stati valutati determinando il tasso di asportazione VW e la relativa usura dell'utensile ϑrel per le rispettive prove di elettroerosione.

Inoltre, sono state eseguite simulazioni numeriche per studiare il lavaggio interno degli elettrodi dello strumento per migliorare il comportamento di rimozione del materiale. Per determinare la velocità massima del flusso v e il flusso volumetrico V nell'intercapedine di lavoro, sono state studiate tre diverse geometrie dei canali di lavaggio. I test sono stati eseguiti per diverse sezioni trasversali dei canali di lavaggio in un intervallo di 0,196 mm2 < Ac < 0,785 mm2 e diverse pressioni di ingresso in un intervallo di 2 bar ≤ pc ≤ 40 bar.

I risultati hanno mostrato che per i processi AM con una densità di energia di Ev = 500 J/mm3 la densità relativa più alta potrebbe essere raggiunta con ρrel = 87%. Infatti, è necessaria una densità relativa sufficientemente elevata affinché la resistenza meccanica σm degli elettrodi dell'utensile da utilizzare nell'elettroerosione a tuffo resista a pressioni di lavaggio elevate pS. I campioni, che sono stati prodotti con una densità di energia di Ev = 900 J/mm3, sono stati non adatti al processo di affondamento erosivo con scintilla a causa della loro bassa densità relativa ρrel.

La misurazione del contenuto di cobalto CCo ha mostrato i valori più alti a densità di energia di Ev = 300 J/mm3. A causa della configurazione della misurazione è stato mostrato un offset per i valori del contenuto di cobalto. Per contenuti di cobalto di CCo > 17% si può anche concludere che durante il processo AM non è stato vaporizzato cobalto. Un elevato contenuto di cobalto può eventualmente aumentare la conduttività elettrica κ dell'elettrodo dell'utensile, il che ha un effetto positivo sul processo di elettroerosione. Ciò potrebbe essere confermato nei test di elettroerosione a tuffo. Lì il tasso di rimozione è stato massimo con V̇w = 5,53 mm3/min con una densità di energia di Ev = 300 J/mm3.