Elektrodrążenie drutowe i wgłębne – czym się różnią i kiedy zastępują frezowanie?

Na rysunku stempla z hartowanej stali narzędziowej jest ostre naroże wewnętrzne, bez promienia. Frez tego nie zrobi – zawsze zostawi zaokrąglenie równe swojemu promieniowi, a w materiale o twardości 60 HRC i tak pracowałby na granicy możliwości. Taki detal trafia na elektrodrążenie. W zależności od kształtu będzie to elektrodrążenie drutowe albo wgłębne. Wyjaśniamy, czym się różnią, kiedy wygrywają z frezowaniem i jak to wpływa na cenę oraz termin. Elektrodrążenie drutowe i wgłębne – sprawdź, czym różnią się te metody!

Jak działa obróbka elektroerozyjna?

Materiał jest usuwany przez serię kontrolowanych wyładowań elektrycznych między elektrodą a detalem, bez kontaktu narzędzia z obrabianą powierzchnią. Każda iskra topi i odparowuje mikroskopijną ilość metalu. Całość odbywa się w cieczy dielektrycznej, która chłodzi strefę pracy, stabilizuje wyładowania i wypłukuje cząstki materiału. Przy cięciu drutem jest to zwykle woda dejonizowana, przy drążeniu wgłębnym – olej dielektryczny.

Z tej zasady wynikają najważniejsze cechy metody:

• twardość materiału nie ma znaczenia – stal hartowana, węglik spiekany czy stop niklu obrabia się tak samo jak stal surowa,
• nie ma sił skrawania – cienkie ścianki i delikatne detale się nie odkształcają,
• materiał musi przewodzić prąd – tworzyw sztucznych i większości ceramik tą metodą się nie obrobi.

Obróbka elektroerozyjna ma trzy główne odmiany: elektrodrążenie drutowe (WEDM), elektrodrążenie wgłębne (EDM) i wiercenie elektroerozyjne. W ZM Zalesie realizujemy elektrodrążenie w ramach narzędziowni, obok frezowania, toczenia i szlifowania.

Na czym polega elektrodrążenie drutowe (WEDM)?

Elektrodą jest cienki drut przewijany w sposób ciągły, który przecina materiał na wylot wzdłuż zaprogramowanego konturu. Najczęściej stosuje się drut mosiężny lub miedziany o średnicy 0,10–0,30 mm, a w maszynach do zadań ultraprecyzyjnych nawet 0,02 mm. Drut cały czas się przesuwa, więc jego zużycie nie wpływa na wymiar – to jeden z powodów wysokiej powtarzalności.

Szczelina cięcia jest zawsze nieco szersza od drutu, bo po obu stronach powstaje szczelina erozyjna rzędu kilku do kilkudziesięciu mikrometrów. Minimalny promień naroża wewnętrznego zależy więc od średnicy drutu i jest bardzo mały, ale nie zerowy.

Orientacyjne możliwości:

• tolerancje wymiarowe do ok. ±0,002 mm na maszynach precyzyjnych,
• kontury 2D i 2,5D, także stożkowe – maszyna potrafi pochylić drut i wyciąć ścianki pod kątem,
• obróbka materiałów hartowanych do ok. 65 HRC i węglików spiekanych,
• maksymalna wysokość cięcia zależy od konkretnej maszyny – przy grubych detalach sprawdzamy ją przy wycenie.

Typowe detale to stemple, matryce i płyty wykrojników, wąskie rowki i wpusty, profile szablonów, elementy przyrządów oraz części wycinane z hartowanych płyt. W naszej narzędziowni pracują wycinarki drutowe FANUC ROBOCUT C600iA i C400iA.

Dlaczego cięcie drutem po hartowaniu ogranicza odkształcenia?

Bo kształt wycina się dopiero wtedy, gdy materiał ma już swoją końcową twardość i nie będzie więcej obrabiany cieplnie. Gdy detal frezuje się przed hartowaniem, obróbka cieplna potrafi go wypaczyć. Przy WEDM blok hartuje się w całości, a precyzyjny kontur powstaje potem – bez nacisku narzędzia i bez ryzyka, że geometria zmieni się w piecu.

Na czym polega elektrodrążenie wgłębne (EDM)?

Elektroda profilowa, zwykle z grafitu lub miedzi, zagłębia się w materiał i odwzorowuje w nim swój negatyw. W ten sposób powstają zamknięte wnęki, gniazda, żebra, ostre naroża wewnętrzne i głębokie podcięcia – kształty, do których frez nie ma dostępu.

Elektrodę trzeba najpierw wykonać, zwykle frezowaniem CNC, z uwzględnieniem szczeliny erozyjnej. Przy złożonych kształtach stosuje się kilka elektrod: zgrubną i wykańczające. Grafit jest lżejszy i łatwiejszy w obróbce, ale szybciej się zużywa. Miedź zużywa się wolniej i daje lepszą powierzchnię, choć trudniej ją obrabiać.

Elektrodrążenie wgłębne jest podstawą produkcji form wtryskowych, matryc do tłoczenia i odlewania, gniazd narzędziowych oraz rowków wpustowych w otworach nieprzelotowych. O tym, jak wygląda cały proces wytwarzania form, piszemy w tekście o produkcji form wtryskowych. U nas do tego zadania służy drążarka wgłębna GF Machining Solutions FORM30.

Czym różni się elektrodrążenie drutowe od wgłębnego?

Drut tnie kontury na wylot (2D i 2,5D), a elektroda profilowa drąży przestrzenne wnęki (3D), często nieprzelotowe.

Trzecia odmiana, wiercenie elektroerozyjne, wykorzystuje obracającą się elektrodę rurkową. Pozwala wykonywać bardzo głębokie otwory o średnicy od ok. 0,25 mm w materiałach hartowanych – na przykład otwory startowe dla drutu, kanały chłodzące w formach czy otwory w łopatkach turbin. Głowicę maszyny można pochylić względem powierzchni, więc da się wiercić także otwory skośne, np. kanały chłodzące poprowadzone pod kątem do płaszczyzny podziału formy. Ograniczeniem jest kąt dostępny w danej maszynie i głębokość otworu, bo przy większym pochyleniu trudniej odprowadzić produkty erozji.

Elektrodrążenie sprawdza się też przy regeneracji narzędzi i form, wykonywaniu uzębień wewnętrznych i kół zębatych o nietypowym zarysie oraz przy obróbce węglików i polikrystalicznego diamentu (PCD), których nie da się sensownie skrawać. Dlatego jest standardem w narzędziowniach pracujących dla lotnictwa, energetyki, motoryzacji i przemysłu medycznego.

W praktyce metody często się łączy. Wiercenie elektroerozyjne robi otwór startowy, drut wycina kontur, a drążenie wgłębne kształtuje wnęki, do których drut nie dotrze.

Kiedy elektrodrążenie wygrywa z frezowaniem?

Gdy materiał jest bardzo twardy, geometria wymaga ostrych naroży lub wąskich szczelin albo detal jest zbyt delikatny, by wytrzymać nacisk narzędzia.

Materiały hartowane i trudnoskrawalne

Stale narzędziowe po hartowaniu, węgliki spiekane, Inconel, Hastelloy czy tytan to materiały, przy których frez szybko się zużywa, a obróbka jest wolna i ryzykowna. Elektrodrążenie radzi sobie z nimi niezależnie od twardości. Więcej o gatunkach, które najczęściej trafiają na drutówkę, przeczytasz w tekście o tym, jakie są rodzaje stali narzędziowej i gdzie się je stosuje.

Ostre naroża wewnętrzne i wąskie szczeliny

Frez zostawia w narożu promień równy swojemu promieniowi. Drut o średnicy 0,1–0,25 mm daje naroże o promieniu ułamka milimetra, a elektroda profilowa może odwzorować naroże niemal ostre. Wąski rowek o szerokości 0,3 mm i głębokości kilkunastu milimetrów frezem jest praktycznie niewykonalny, drutem – standardowy.

Cienkie ścianki i delikatne detale

Brak sił skrawania oznacza, że cienka ścianka nie ugnie się i nie zacznie drgać. To ważne przy elementach sprężystych, cienkich płytkach i detalach o dużej smukłości.

Krótkie serie profili

Przy WEDM zmiana wymiaru o kilka setnych milimetra to zmiana programu, a nie nowe narzędzie kształtowe. Dlatego wycinanie drutem jest opłacalne przy prototypach i pojedynczych sztukach.

Czego elektrodrążenie nie zrobi?

Nie obrobi materiałów nieprzewodzących, jest wolniejsze od frezowania przy prostych kształtach, a przy drążeniu wgłębnym koszt elektrod podnosi cenę pojedynczych sztuk.

• Tworzywa, drewno i większość ceramik odpadają – potrzebna jest przewodność elektryczna.
• Usuwanie materiału jest znacznie wolniejsze niż frezowanie, dlatego duży naddatek zdejmuje się najpierw obróbką skrawaniem, a EDM zostawia do finalnej geometrii.
• Na powierzchni powstaje cienka warstwa przetopiona. Przy detalach pracujących zmęczeniowo usuwa się ją dodatkowymi przejściami wykańczającymi albo szlifowaniem.
• Elektrodrążenie wgłębne wymaga osobnej elektrody do każdego kształtu, a przy złożonych geometriach jej wykonanie zajmuje tyle czasu co samo drążenie.

Z tego powodu elektrodrążenie rzadko działa w pojedynkę. Najpierw frezowanie lub toczenie nadaje ogólny kształt, potem obróbka cieplna, na końcu EDM i szlifowanie baz.

Czy elektrodrążenie jest droższe od frezowania?

Przy prostych kształtach w miękkim materiale – tak. Przy materiałach hartowanych, ostrych narożach i wąskich szczelinach często jest jedyną rozsądną metodą, więc porównanie z frezowaniem traci sens. Na cenę wpływają przede wszystkim: grubość materiału i długość konturu (przy WEDM), liczba i złożoność elektrod (przy EDM), wymagana chropowatość, która przekłada się na liczbę przejść wykańczających, oraz tolerancje. Przy detalu, który po frezowaniu i tak musiałby być hartowany i korygowany, cięcie drutem po hartowaniu bywa w sumie tańsze.

Dobór metody zależy od skrawalności materiału i geometrii detalu – te dwie rzeczy technolog ocenia w pierwszej kolejności.

Elektrodrążenie w narzędziowni ZM Zalesie

W naszej narzędziowni wycinamy drutem na maszynach FANUC ROBOCUT C600iA i C400iA oraz drążymy wgłębnie na GF Machining Solutions FORM30. Te same detale frezujemy, toczymy i szlifujemy u siebie, więc stempel czy matryca przechodzą cały proces w jednym zakładzie. Pracujemy dla budowy maszyn, automotive, lotnictwa i przemysłu zbrojeniowego, głównie w produkcji jednostkowej i małoseryjnej. Wyślij rysunek – ocenimy, czy detal lepiej wyciąć, wydrążyć czy wyfrezować.

FAQ – elektrodrążenie w pytaniach