Biuletyn Sharp E Styczeń 2021

Cel nawiązania współpracy pomiędzy ANCA i Precorp (obecnie część grupy Sandvik-Coromant) w zakresie stworzenia maszyny ANCA EDG do obróbki elektroerozyjnej w 2011 roku cel był prosty. Obie firmy miały na celu stworzenie wysokosprawnej platformy do obróbki elektroerozyjnej EDM, która zapewniałaby nie tylko najwyższej klasy geometrię narzędzi, ale również najkrótsze na rynku czasy cykli.

Pomysł narodził się w głowie Pata Bolanda, założyciela i dyrektora generalnego ANCA, który doszedł do wniosku, że uzyskanie przewagi konkurencyjnej wymaga sprytu, nie siły fizycznej. „Proces erozji jest prosty w swojej złożoności. Wykorzystuje on elektrody, dodatnie i ujemne, oraz elektrolit, które umożliwiają wytwarzanie wyładowań elektrycznych na powierzchni obrabianego materiału. ANCA posiada 45-letnie doświadczenie w produkcji najwyższej klasy narzędzi z węglika i stali szybkotnącej, które chcemy wykorzystać w procesach wytwarzania narzędzi PCD” mówi Pat.

Podstawowe założenie dla maszyn ANCA EDG to prostota wytwarzania wszystkich typów narzędzi lutowanych z rowkowaniem wykonywanym metodą ścinania z jednoczesną możliwością tworzenia nieograniczonej liczby różnych narzędzi spiralnych, z końcówkami litymi, lutowanymi lub w jodełkę. „Od samego początku zdaliśmy sobie sprawę, że przy złożoności geometrii narzędzi, którą chcieliśmy zapewnić naszym klientom, interpolacja 5-osiowa przy utrzymaniu precyzyjnej szczeliny międzyelektrodowej będzie ogromnym wyzwaniem” dodaje Pat.

Boland, magister inżynierii elektrycznej na Uniwersytecie w Melbourne zapukał do drzwi RMIT Uniwersytetu w Melbourne i został przedstawiony ówczesnemu doktorantowi inżynierii elektrycznej, doktorowi Kotlerowi Tee. Dzięki doskonałym referencjom, Tee został zatrudniony przez ANCA jako szef działu projektowo-rozwojowego procesów obróbki elektroerozyjnej EDG. Dzięki ich współpracy zarysowała się idea i rozpoczęły prace nad stworzeniem najbardziej zaawansowanego technicznie procesu obróbki elektroerozyjnej na rynku.

 
Etap 1: Utrzymanie optymalnej szczeliny międzyelektrodowej dzięki funkcji IAC
Pierwsze zadanie polegało na utrzymaniu optymalnej szczeliny międzyelektrodowej podczas interpolacji prostych ścieżek 2D i złożonych ścieżek 3D. „W procesie obróbki elektroerozyjnej, utrzymanie optymalnej szczeliny międzyelektrodowej to podstawa utrzymania najwyższej sprawności procesu. Nie stanowi to problemu podczas interpolacji ścieżek 2D, natomiast w przypadku interpolacji 4 lub 5 poruszających się równocześnie osi, zmiany pola powierzchni, objętości i ścieżki stanowią poważne wyzwanie” mówi Tee. „Próby wykazały, że najprostsze rozwiązanie polega na ustawieniu najniższej możliwej szybkości posuwu maszyny pozwalającej na utrzymanie wymaganej szczeliny międzyelektrodowej, przy czym wprowadza to dużą liczbę posuwów narzędzia bez kontaktu z obrabianym przedmiotem i znacznie ogranicza szybkość posuwu.”  W celu utrzymania wysokiej prędkości posuwu i optymalnej szczeliny międzyelektrodowej opracowana została koncepcja inteligentnej kontroli adaptacyjnej IAC (Intelligent Adaptive Control).

IAC to funkcja sterowana serwomechanizmem w czasie rzeczywistym, która automatycznie monitoruje i kontroluje szczelinę międzyelektrodową w trakcie procesu. Dzięki funkcjonalności EtherCAT układu sterowania ANCA Motion AMD5x, IAC zapewnia synchronizację ruchu maszyny z parametrami generatora. IAC reguluje i utrzymuje optymalną szczelinę międzyelektrodową, która stanowi kluczowy czynnik podczas obróbki elektroerozyjnej kształtów 3D, takich jak rowki PCD i nacięcia na wiertłach i frezach walcowo-czołowych. Dzięki zmianie geometrii nawet w pięciu osiach równocześnie, funkcja IAC automatycznie dostosowuje szczelinę międzyelektrodową i prędkość posuwu maszyny, zapewniając optymalną prędkość obróbki elektroerozyjnej i wykończenie powierzchni. Zapewnia to nie tylko zwiększenie prędkości posuwu podczas obróbki elektroerozyjnej ścieżek liniowych, ale również ograniczenie prędkości posuwu w przypadku zmiany ścieżki.
„Zakręty i zmiany kierunku ścieżki obróbki mogą powodować zbliżenie lub oddalenie elektrody od obrabianego narzędzia, w rezultacie powodując optymalną, nieprawidłową lub w skrajnych przypadkach brak iskry wzdłuż ścieżki ruchu maszyny” dodaje Tee. IAC automatycznie uwzględnia wszelkie zmiany i utrzymuje najwyższą możliwą szybkość posuwu wzdłuż zmiennej ścieżki. Zapewnia to większą szybkość posuwu, ogranicza uszkodzenia spowodowane temperaturą, gwarantuje najwyższą jakość wykończenia powierzchnia, większą szybkość usuwania materiału oraz krótsze czasy cykli.

Dodatkową korzyść ze stosowania IAC stanowi łatwość wytwarzania mikro-narzędzi z PCD i węglika. IAC utrzymuje optymalną odległość, ograniczając ryzyko kolizji ściernicy i uszkodzenia narzędzia, co jest szczególnie krytyczne w przypadku obróbki elektroerozyjnej narzędzi o średnicy poniżej 0,5 mm. 

Krok 2: Optymalizacja procesu obróbki elektroerozyjnej dzięki funkcji ASC

Kolejne wyzwanie stanowiło uzyskanie optymalnego iskrzenia ułatwiającego proces obróbki elektroerozyjnej. Natężenie i napięcie prądu, czas trwania, czas przerwy i tym samym natężenie iskrzenia zależą od obrabianego materiału. Obróbka PCD wymaga użycia określonych parametrów, innych niż w przypadku obróbki węglika (HM) i stali szybkotnącej (HSS). Wyzwanie stanowi również rozmiar, ponieważ elementy PCD obejmują zwykle płytkę PCD o grubości 0,6 mm na podłożu z węglika o grubości 1 mm. Spiekane PCD, na przykład stosowane w procesie lutowania Precorp-Sandvik, narzędzia z układem płytek w jodełkę oraz końcówkami litymi są również wytwarzane na podłożu z węglika. Podczas agresywnej obróbki elektroerozyjnej, na przykład obróbki zgrubnej, ściernica z elektrodą miedzianą realizuje proces obróbki elektroerozyjnej na połączeniu dwóch materiałów: PCD i węglika. Parametry obróbki elektroerozyjnej zoptymalizowane pod kątem obróbki PCD mogą być nieodpowiednie w przypadku obróbki węglika, powodując nadmierne usuwanie materiału w miejscu połączenia PCD i węglika, tak zwane podcięcie, które polega na selektywnej obróbce elektroerozyjnej podłoża z węglika pod warstwą PCD. Ponadto, proces ten może również spowodować usuwanie kobaltu, który stanowi spoiwo PCD i może ulegać selektywnej erozji, powodującej odsłonięcie ziaren PCD.

Jest to proces, który można porównać do podkopywania brukowanej ścieżki. W przypadku usunięcia zbyt dużej ilości materiału spod ścieżki, może się ona zapaść. Próby wykazały, że podcięcie podłoża i usuwanie kobaltu podczas obróbki zgrubnej powoduje powstanie kruchych krawędzi wzdłuż krawędzi skrawającej i przedwczesne zużycie narzędzia. Zjawisko to może być ograniczone przy jednoczesnej optymalizacji procesu obróbki elektroerozyjnej dzięki funkcji adaptacyjnej kontroli iskrzenia ASC (Adaptive Spark Control).

 
Funkcja ASC wykorzystuje błyskawicznie reagujący układ serwomechanizmów EtherCAT oraz wbudowane w generator układy DSP (Digital Signal Processors) i FPGA (Field Programmable Gate Arrays). Generator EDG umożliwia monitorowanie i przetwarzanie indywidualnych iskier w czasie rzeczywistym. Kształt fali każdej iskry jest monitorowany automatycznie i kategoryzowany na podstawie obrabianego materiału, szczeliny międzyelektrodowej i innych czynników istotnych dla optymalizacji procesu obróbki elektroerozyjnej. Generator dynamicznie dostosowuje parametry pracy indywidualnie do każdej iskry (natężenie i napięcie prądu, czas trwania i czas przerwy) i obrabianego materiału.

ASC optymalizuje proces, ograniczając usuwanie kobaltu i podcięcia w obszarze połączenia PCD i węglika, umożliwiając wytwarzanie wyjątkowo wytrzymałych krawędzi skrawających oraz gotowych narzędzi odpornych na wykruszanie się ostrza. Zapewnia to jednocześnie większą trwałość narzędzia, mniejsze zużycie i niższe koszty narzędzi. Próby narzędzi przeznaczonych do obróbki kompozytów CFRP (Carbon Fibre Reinforced Plastic) wykazały trwałość narzędzi większą o 60%.

Wszystkie rozwiązania kontroli procesu obróbki elektroerozyjnej ANCA są objęte ochroną patentową.



 

Etap 3: Usprawniona elektronika generatora ANCA Motion SparX

Ostatni element łamigłówki stanowiła optymalizacja elektroniki w celu zapewnienia bardziej agresywnej obróbki elektroerozyjnej przy zachowaniu najwyższej jakości wykończenia powierzchni. W tym zakresie, ANCA skorzystała z wiedzy technicznej firmy zależnej ANCA Motion. Richard Colin, starszy inżynier elektryk otrzymał zadanie stworzenia wiodącego generatora opartego na platformie AMD5x Servo. Richard ma bogate doświadczenie w elektronice wysokiej częstotliwości i mocy, a przed rozpoczęciem pracy w ANCA Motion zajmował się projektowaniem systemów zasilania naziemnego (GPU) dla lotnictwa (do teraz Ryszard chodzi w swojej skórzanej kurtce producenta silników lotniczych Pratt & Whitney). „Skorzystałem z okazji. Od długiego czasu czekałem na możliwość pracy z najnowszymi rozwiązaniami półprzewodnikowymi o szerokim paśmie zabronionym”.

W porównaniu do standardowych rozwiązań, technologia bardzo wysokiego natężenia prądu impulsu umożliwia klientom ANCA zwiększenie zakresu dostępnej do wykorzystania mocy. Generator ANCA Motion SparX zapewnia doskonałe parametry użytkowe w zakresie od obróbki zgrubnej do ultra-precyzyjnej obróbki końcowej, wykorzystując technologię piko impulsu, zapewniającą ablację przy wysokiej gęstości energii, doskonałą kontrolę, optymalne szybkości posuwu, idealną jakość powierzchni i znacznie krótsze czasy cykli. Precyzyjny impuls zapewnia obróbkę elektroerozyjną w zakresie od impulsów o bardzo niskiej energii do ultra-precyzyjnej obróbki wykończeniowej po impulsy o wysokiej energii do szybkiego usuwania materiału.
Czas cyklu w procesie obróbki elektroerozyjnej PCD jest ściśle związany z szybkością usuwania materiału (MRR). Generator ANCA Motion SparX zapewnia wyjątkowo wysoką szybkość usuwania materiału dzięki nowym operacjom obróbki zgrubnej, precyzyjnej i ultra-precyzyjnej obróbki wykończeniowej. Oznacza to wyjątkowo wysoką szybkość usuwania materiału oraz 50% krótsze czasy cyklu w porównaniu do rozwiązań konkurencyjnych - gwarantując najkrótsze czasy cyklu na rynku. Jakość powierzchni po obróbce elektroerozyjnej została zwiększona dla wszystkich trybów mocy. Nowa funkcja ultra-precyzyjnej obróbki wykończeniowej z technologią piko-impulsu pozwala uzyskać powierzchnię o doskonałych parametrach Ra < 0,1 µm i Rz < 0,5 µm. Operacje te umożliwiają wytwarzanie krawędzi skrawających najwyższej jakości dla najbardziej wymagających zastosowań narzędzi skrawających.
Wykorzystanie inteligencji w dziedzinie zdominowanej dotychczas przez prostą elektronikę nie tylko zapewniło klientom ANCA przewagę konkurencyjną, ale również zapewniło inteligentne podejście do wytwarzania narzędzi. „Różnica pomiędzy podejściem naszym i konkurencji jest taka, że ANCA skupia się na celu, który nasi klienci chcą osiągnąć w procesie obróbki elektroerozyjnej. Wymagają oni procesu zoptymalizowanego pod kątem obróbki narzędzi PCD o profilu śrubowym i okrągłym. Ściśle współpracujemy z ANCA Motion w celu zaprojektowania naszego generatora nie tylko do wytwarzania narzędzi ścinających, ale również szerokiego asortymentu narzędzi o złożonej geometrii, zamiast korzystania z technologii generatora opracowanej dla dotychczasowej metody cięcia elektroerozyjnego metodą Wire-EDM. Nasze podejście zrewolucjonizowało branżę. W tym przypadku to geometria decyduje o procesie, a nie proces decyduje o dostępnych geometriach”.

„Wykorzystaliśmy spryt, aby pokonać brutalną siłę - jak zając, który przechytrzył lisa” żartuje Tee.

 

15 stycznia 2021