積層造形WCによる火花侵食

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研究者らは現在、積層造形の可能性をさらに活用して、産業用途を視野に入れて、放電加工用の炭化タングステン・コバルト工具電極を製造している。

コンポーネントの複雑さが増し、工具や金型の製造が継続的に進歩しているため、放電加工 (EDM) などの製造プロセスの継続的な開発が必要です。 これは、たとえば、複雑なツール電極を製造するための新しいタイプのプロセスチェーンの開発を通じて行われます。 積層造形 (AM) により、設計上の制限がほとんどなく、EDM プロセス用の内部フラッシング チャネルを備えた複雑なツール電極形状の製造が可能になります。 炭化タングステンコバルト (WC-Co) は、熱的および機械的安定性が高く、付加加工も可能な EDM ツールの電極に適した材料です。 この記事では、形彫り EDM における積層造形 WC-Co ツール電極の使用に関する研究の最初の結果を示します。 ベルリン工科大学の工作機械・工場管理研究所 IWF とフラウンホーファー生産システム・設計技術研究所 IPK が参加しています。

Dr.-Ing. M. ポルテ、ベルリン工科大学 IWF シニアエンジニア、 R. ヘルル、修士、研究助手、IFW、ベルリン工科大学。 R. ボルツ、理学修士、IWF 研究員、ベルリン工科大学。 Th. ブラウン修士、IWF研究員、ベルリン工科大学。 RJ ノイシェーファー、理学士、IMF 助手、ベルリン工科大学

WC-Co 材料の AM プロセスレーザー粉末床融合に関する以前の研究 ([1]、[2]、[3]) では、製造サンプルのコバルト含有量 CCo に対するエネルギー密度 Ev の影響が実証されました。 本研究では、予熱された処理チャンバーとWC-Co 83/17（粉末材料として）を備えたAMプロセスによってツール電極を製造し、EDMプロセスへの影響に関して分析しました。

エネルギー密度を 300 J/mm3 ≤ Ev ≤ 900 J/mm3 の範囲で 4 段階で変化させることにより、コバルト含有量 CCo と、相対密度 ρrel や導電率 κ などのコンポーネントの関連材料特性が影響を受けました。 各エネルギー密度 Ev について、2 つのサンプルが製造され、それに応じて分析されました。 形彫り EDM への適合性を評価するために、積層造形されたツール電極を使用してさらなるテストが実行されました。 サンプルは、それぞれの EDM テストの除去速度 VW と相対的な工具摩耗 θrel を決定することによって評価されました。

さらに、材料除去挙動を改善するためにツール電極の内部フラッシングを調査するために数値シミュレーションが実行されました。 作動ギャップ内の最大流速 v と体積流量 V を決定するために、3 つの異なるフラッシング チャネルの形状が調査されました。 試験は、0.196 mm2 < Ac < 0.785 mm2 の範囲の異なるフラッシング チャネル断面積、および 2 bar ≤ pc ≤ 40 bar の範囲の異なる入口圧力に対して実行されました。

結果は、エネルギー密度 Ev = 500 J/mm3 の AM プロセスでは、ρrel = 87 パーセントで最高の相対密度が達成できることを示しました。 実際、形彫り EDM で使用するツール電極の機械的強度 σm には、高いフラッシング圧力 pS に耐えるために十分に高い相対密度が必要です。エネルギー密度 Ev = 900 J/mm3 で製造されたサンプルは、相対密度ρrel が低いため、火花浸食沈下プロセスには適していません。

コバルト含有量 CCo の測定では、エネルギー密度 Ev = 300 J/mm3 で最高値が示されました。 測定設定により、コバルト含有量の値にはオフセットが表示されます。 CCo のコバルト含有量が 17 パーセントを超える場合、AM プロセス中にコバルトは蒸発しなかったと結論付けることもできます。 コバルト含有量が高いと、ツール電極の導電率 κ が増加する可能性があり、EDM プロセスにプラスの効果をもたらします。 これは形彫り放電加工テストで確認できました。 そこでは、エネルギー密度 Ev = 300 J/mm3 で、除去速度は V̇w = 5.53 mm3/min で最も高くなりました。

相対工具摩耗 θrel の分析により、エネルギー密度 Ev = 700 J/mm3 で製造されたサンプルは、10.2 パーセントという最も高い相対工具摩耗を受けやすいことがわかりました。 これは、積層造形プロセスによって作成された多孔質構造に起因すると考えられます。 Ev = 300 J/mm3 および Ev = 500 J/mm3 の積層造形サンプルでは、​​摩耗がわずかに低く、θrel = 9.6 パーセントでした。 したがって、300 ～ 500 J/mm3 のエネルギー密度が EDM 電極の積層造形に最適であるということになります。 したがって、この範囲は今後さらに調査される予定です。

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2021 年 3 月 23 日現在

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さらに、時間とリソースを節約して研究を実行できるようにするために、ツール電極の内部フラッシング チャネルの研究用の数値モデルが開発されました。 異なる入力圧力ピンおよびフラッシング チャネル断面積 Ac に対する円形、長方形、およびクローバーの葉形のフラッシング チャネル断面が調査されました。 横方向の作動ギャップ内の流速 v を分析すると、クローバーの葉の形の形状が各入口圧力ピンと各フラッシング チャネル断面積で最高の流速を示しました。

正面の作業ギャップの領域でさらなる調査が行われました。 ここは、EDM プロセス中にほとんどのスパーク放電が発生し、有害な粒子の堆積が発生する場所です。 このため、安定した EDM プロセスには、この領域の効果的なフラッシングが必要です。

流速 v と渦粘度 νt の分析により、フラッシング チャネルの断面として長方形の形状が両方のパラメーターの最高値につながることがわかりました。 すすぎ中の正面作業ギャップ内の鋼粒子の視覚的表現により、長方形形状のすすぎチャネル内の流速と渦粘度が高いと、アブレーション粒子の輸送が大幅に増加することが確認されました。 おそらく、作業ギャップ内の乱流の増加につながるフラッシング チャネルの形状により、EDM プロセス中の全体的なフラッシング効果が確実に向上すると考えられます。

要約すると、長方形のチャネル構造は、横方向の作動ギャップ内の流速 vc が比較の形状よりも低いにもかかわらず、内部フラッシングに最適です。 得られた結果により、EDM プロセスで使用する WC-Co 製ツール電極の積層造形に適したパラメータが見つかりました。 将来的には、これらの発見に基づいて、より複雑な内部フラッシング チャネルの可能性を活用できる可能性があります。 数値モデリングの結果は、作業ギャップの解消を改善する肯定的な傾向をすでに示しています。

[1] Uhlmann E、Bergmann A、Bolz R、Gridin W. EDM における付加製造された炭化タングステン ツール電極の応用。 プロセディアCIRP。 2018年; 68：86～90。

[2] Uhlmann E、Polte J、Bolz R、Yabroudi S、Streckenbach J、Bergmann A. S-EDM における内部フラッシング チャネルを備えた積層造形タングステン カーバイド コバルト電極の応用。 プロセディアCIRP。 2020、95: 460 – 465。

[3] Polte J、Neuwald T、Gordei A、Kersting R、Uhlmann E. レーザー粉末床融合による WC-Co の生産性の高い製造における部品密度への影響。 Proceedings euspen、国際会議および展示会。 2021年21月。

* 著者は全員、ベルリン工科大学工作機械工場管理研究所 IWF で研究を行っています。 エッカート・ウールマン氏とミッチェル・ポルテ氏もベルリンのフラウンホーファーIPKで働いています。

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