เครื่องกัดด้วยประกายไฟ EDM ทำงานอย่างไรให้ได้ชิ้นงานที่มีความแม่นยำสูง

หลักการทำงานของเครื่องกัดเซาะด้วยประกายไฟฟ้า EDM

เครื่องจักรกัดเซาะด้วยประกายไฟฟ้า (EDM) คืออะไร?

EDM ย่อมาจาก Electrical Discharge Machining ซึ่งเป็นวิธีทางเลือกในการกำจัดวัสดุออกจากชิ้นส่วนที่นำไฟฟ้าได้ แทนที่จะใช้เครื่องมือตัดแบบทั่วไป เครื่อง EDM จะใช้ขั้วไฟฟ้าที่ทำจากวัสดุเช่น ทองแดง เหล็กกล้า หรือกราไฟต์ ขั้วไฟฟ้าเหล่านี้จะสร้างประกายไฟในความถี่สูงมาก ซึ่งจะกัดเซาะชิ้นงานโดยไม่ต้องสัมผัสชิ้นงานโดยตรง สิ่งที่ทำให้ EDM มีค่าใช้จ่ายสูงคือ ความสามารถในการตัดวัสดุที่มีความแข็งมาก เช่น เหล็กกล้าที่ผ่านการชุบแข็ง และทังสเตนคาร์ไบด์ ซึ่งวัสดุเหล่านี้มักเป็นอุปสรรคต่อวิธีการกลึงแบบทั่วไป โรงงานที่ต้องทำงานกับวัสดุที่ท้าทายนี้มักหันมาใช้ EDM เมื่อวิธีการแบบดั้งเดิมทำไม่ได้ตามงานที่ต้องการ

กระบวนการกัดเซาะด้วยประกายไฟ: วิธีที่ EDM กำจัดวัสดุด้วยความแม่นยำ

เครื่องกัดด้วยประกายไฟ EDM ทำงานโดยการสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดกับชิ้นงานที่อยู่ภายในของเหลวไดอิเล็กตริกพิเศษ เมื่อระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดกับชิ้นงานแคบลงมากจนอยู่ที่ประมาณ 0.01 ถึง 0.05 มิลลิเมตร จะเกิดการปล่อยประจุไฟฟ้าที่มีความเข้มสูง ซึ่งทำให้เกิดจุดร้อนจัด บางครั้งอุณหภูมิอาจสูงเกินกว่า 10,000 องศาเซลเซียส ส่งผลให้วัสดุในจุดที่ถูกกระทบละลายออกเป็นอนุภาคเล็กๆ สิ่งที่น่าสนใจคือกระบวนการที่ของเหลวไดอิเล็กตริกทำงานหลังจากเกิดปรากฏการณ์นี้ มันจะช่วยลดอุณหภูมิลงอย่างรวดเร็วและชะล้างอนุภาคเล็กๆ ที่หลุดออกมาออกไป จึงป้องกันไม่ให้ชิ้นงานบิดงอจากความร้อน เครื่องจักรรุ่นใหม่สมัยนี้สามารถสร้างประกายไฟได้มากถึงครึ่งล้านครั้งต่อวินาทีเลยทีเดียว ความเร็วระดับนี้ทำให้ผู้ผลิตสามารถขจัดวัสดุได้ในอัตรา 10 ถึง 20 ลูกบาศก์มิลลิเมตรต่อนาทีเมื่อทำการตัดแต่งเหล็ก โดยยังคงไว้ซึ่งความแม่นยำสูงสุดที่ ±5 ไมครอน

การขึ้นรูปแบบไม่สัมผัส: เหตุใด EDM จึงป้องกันความเครียดและแรงบิดทางกลได้

EDM มีหลักการทำงานที่แตกต่างกัน เนื่องจากไม่มีการสัมผัสกันจริงระหว่างเครื่องมือกับชิ้นงาน ซึ่งหมายความว่าการสั่นสะเทือนและแรงด้านข้างที่ทำให้ผนังบางบิดงอหรือกระทบกับโลหะที่ผ่านการรักษาด้วยความร้อนจะไม่เกิดขึ้นเลย สำหรับชิ้นส่วนต่างๆ เช่น ชิ้นส่วนเครื่องบิน โดยเฉพาะใบพัดกังหัน (turbine blades) แล้ว นี่เป็นเรื่องใหญ่มาก มีงานวิจัยเมื่อปีที่แล้วพบว่า การใช้ EDM แทนการกัด (milling) แบบทั่วไป สามารถลดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างหลังการขึ้นรูปได้เกือบ 9 จาก 10 กรณี อุตสาหกรรมอุปกรณ์การแพทย์ก็ใช้ประโยชน์จากจุดเด่นนี้เช่นกัน ในการผลิตชิ้นส่วนฝังกระดูกสันหลังจากไทเทเนียมที่มีรูปร่างซับซ้อน พวกเขาสามารถสร้างรูปร่างที่มีรายละเอียดสูงโดยไม่ต้องกังวลว่าค่าความแม่นยำจะคลาดเคลื่อนเกิน 3 ไมครอน ซึ่งถือว่าน่าประทับใจมากเมื่อพิจารณาถึงขนาดเล็กจิ๋วของชิ้นส่วนเหล่านี้

ความแม่นยำระดับไมครอนในการขึ้นรูปโลหะด้วย EDM

เครื่องกัดด้วยประกายไฟฟ้า EDM สามารถบรรลุความแม่นยำระดับไมครอนได้ผ่านการปล่อยประจุไฟฟ้าที่ถูกควบคุม โดยระบบที่ทันสมัยสามารถรักษาความคลาดเคลื่อนไว้ที่ ±2µm (±0.002 มม.) ความแม่นยำนี้เกิดจากปัจจัยหลัก 3 ประการที่ทำงานร่วมกัน ได้แก่ การกำจัดวัสดุแบบไม่สัมผัส ระบบควบคุมตำแหน่งอิเล็กโทรดแบบเรียลไทม์ และการไหลเวียนของของเหลวไดอิเล็กตริกที่เหมาะสม

ความสามารถในการควบคุมความคลาดเคลื่อนได้ละเอียดถึงระดับ ±2µm

ระบบ EDM แบบไวร์ในปัจจุบันรวมเอาเครื่องวัดความละเอียด 50 นาโนเมตรเข้ากับการตรวจสอบช่องว่างประกายไฟแบบปรับตัว เพื่อใช้ในการกัดชิ้นส่วนเช่น หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง และไกด์สำหรับฝังอุปกรณ์ทางการแพทย์ ต่างจากการตัดด้วยเครื่องมือทั่วไปที่เกิดการบิดงอภายใต้แรงกด EDM ใช้กระบวนการที่ไม่สัมผัสโดยตรง ทำให้สามารถรักษาความแม่นยำตำแหน่งที่ ±2µm ได้แม้กับเหล็กกล้าที่มีความแข็ง 60HRC

ปัจจัยที่มีผลต่อความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำของ EDM

1. การชดเชยการสึกหรอของอิเล็กโทรด - ระบบอัตโนมัติปรับค่าเพื่อชดเชยการสึกหรอของอิเล็กโทรดทองแดงที่ระดับ 0.2-0.5% ต่อการใช้งานแต่ละครั้ง
2. เสถียรภาพทางความร้อน - กรอบเครื่องจักรรักษาอุณหภูมิที่ ±0.1°C โดยใช้ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟ เพื่อป้องกันการขยายตัวจากความร้อน
3. การควบคุมของเหลวไดอิเล็กตริก - การกรองหลายขั้นตอนช่วยรักษาค่าความต้านทานของของเหลวให้สูงกว่า 5–10 เมกะโอห์ม·เซนติเมตร เพื่อให้พลังงานประกายไฟมีความสม่ำเสมอ

กรณีศึกษา: ความคลาดเคลื่อน ±3 ไมครอน ในการผลิตชิ้นส่วนการบินและอวกาศ

โครงการกังหันอากาศยานปี 2023 ใช้เทคโนโลยี EDM แบบ Sinker เพื่อสร้างช่องระบายความร้อนในโลหะผสมนิกเกิลซูเปอร์อัลลอยด์ ด้วยความแม่นยำของรูปทรง ±3 ไมครอน โดยกระบวนการนี้สามารถทำรัศมีมุม 0.08 มม. ขณะเดียวกันยังคงความหนาของผนังบางไว้ที่ 0.3 มม. ด้วยความเร็วที่เร็วขึ้น 48% เมื่อเทียบกับทางเลือกอื่นๆ เช่น การตัดด้วยเลเซอร์

บทบาทของของเหลวฉนวนและระบบควบคุมอิเล็กโทรดในการรักษาความแม่นยำ

การล้างของเหลวฉนวนภายใต้แรงดันสูง (12–15 บาร์) ช่วยกำจัดเศษวัสดุภายใน 0.3 มิลลิวินาทีหลังจากเกิดประกายไฟแต่ละครั้ง เพื่อป้องกันการเกิดการปล่อยไฟฟ้าซ้ำที่จะเพิ่มความกว้างรอยตัด 5–8 ไมครอน ในเวลาเดียวกัน มอเตอร์เชิงเส้นที่มีความละเอียด 0.05 ไมครอน จะปรับแรงดึงของลวด (±0.01 นิวตัน) และอัตราการให้อาหาร (0.05–6 มม./นาที) เพื่อชดเชยการขยายตัวจากความร้อนในช่วงรอบการกลึงที่ยาวนานกว่า 80 ชั่วโมง

ผิวงานที่มีคุณภาพสูงเยี่ยมโดยไม่ต้องทำกระบวนการรอง

ความสามารถในการตกแต่งผิวงานด้วย EDM: จากค่า Ra 0.1 ไมครอน ไปจนถึงผลลัพธ์แบบเงาสะท้อน

เครื่องกัดด้วยประกายไฟฟ้า (Spark erosion machines) ที่ใช้ในกระบวนการ EDM สามารถสร้างพื้นผิวได้ตั้งแต่ความหยาบ Ra 0.1 ไมครอน ไปจนถึงพื้นผิวที่สามารถสะท้อนแสงเหมือนกระจก จุดที่ทำให้วิธีการนี้แตกต่างจากวิธีการกลึงทั่วไปคือ วิธีการเดิมมักทิ้งรอยเครื่องมือที่มองเห็นได้ไว้ ขณะที่ EDM ทำงานแตกต่างโดยการสร้างหลุมเล็กๆ ที่สม่ำเสมอผ่านความร้อน จากการรายงานเมื่อปีที่แล้วของ Advanced Manufacturing ระบุว่า บริษัทประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ที่ผลิตชิ้นส่วนสำหรับเครื่องบิน ได้หยุดทำการตกแต่งเพิ่มเติมใดๆ เนื่องจาก EDM สามารถให้ค่าพื้นผิวตามที่ต้องการสำหรับชิ้นส่วนสำคัญที่ต้องตรงตามข้อกำหนด Ra ที่ต่ำกว่า 3 ไมครอน เนื่องจากศักยภาพเหล่านี้ ผู้ผลิตจำนวนมากจึงพบว่าวิธี EDM มีประโยชน์มากเมื่อผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์หรือแม่พิมพ์สำหรับเลนส์ ที่ซึ่งความไม่สมบูรณ์ของพื้นผิวแม้แต่เล็กน้อยก็อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์สุดท้าย

การกำจัดความจำเป็นในการแปรรูปเพิ่มเติมและการขัดเงา

การที่ได้คุณภาพพื้นผิวขั้นสุดท้ายตั้งแต่ขั้นตอนการกลึงเริ่มต้น ทำให้ EDM ช่วยลดขั้นตอนการทำงานและของเสียจากวัสดุ ตัวอย่างเช่น

• ไม่ต้องขัดเงาด้วยมือ สำหรับแม่พิมพ์เหล็กกล้าทำให้แข็ง 95% (อ้างอิงจากมาตรฐานอุตสาหกรรม)
• ไม่มีความเสี่ยงจากการขัดเงามากเกินไป รายละเอียดที่ละเอียดอ่อน เช่น ผนังบางหรือมุมคม
  ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อวัสดุที่มีมูลค่าสูงอย่างทังสเตนคาร์ไบด์ ซึ่งกระบวนการทำงานขั้นที่สองจะเพิ่มต้นทุนขึ้นถึง 240 ดอลลาร์สหรัฐต่อชิ้น (วารสารระบบการผลิต, 2022)

การควบคุมสมดุลระหว่างความเร็วในการตัดและคุณภาพพื้นผิวในการผลิต

ผู้ควบคุมเครื่องปรับค่าพารามิเตอร์ของ EDM เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดของโครงการ:

ความยืดหยุ่นนี้ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถให้ความสำคัญกับความเร็วในช่วงการกลึงหยาบ ขณะเดียวกันก็เก็บการปล่อยประจุที่ช้าและละเอียดกว่าไว้สำหรับพื้นผิวที่สำคัญ — กลยุทธ์ที่พิสูจน์แล้วว่าช่วยลดเวลาในการผลิตทั้งหมดลง 18–22% ในสภาพแวดล้อมการผลิต

การกลึงปราศจากเศษโลหะและแรงดึงเครียด: ข้อดีหลักของเครื่อง EDM

เครื่องกัดด้วยประกายไฟฟ้า (EDM) สามารถประมวลผลโลหะได้อย่างแม่นยำโดยปราศจากความเครียดเชิงกล ด้วยการปล่อยประจุไฟฟ้าที่ถูกควบคุมไว้ วิธีการที่ไม่สัมผัสนี้ช่วยป้องกันการบิดงอและรักษาความสมบูรณ์ของชิ้นส่วน ทำให้มันมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อชิ้นส่วนที่มีความสำคัญต่อภารกิจ

วิธีที่ EDM ลดหรือขจัดความจำเป็นในการแปรรูปเพิ่มเติม

กระบวนการขจัดวัสดุแบบไม่สัมผัสของ EDM ช่วยป้องกันการเกิดแตกลายโดยการระเหยโลหะแทนการตัด เจ็ทน้ำมันกัดด้วยไฟฟ้าล้างอนุภาคที่ถูกกัดเซาะออก ทำให้ได้พื้นผิวเรียบเนียนจนถึงระดับ Ra 0.4µm—ซึ่งมักจะตรงตามข้อกำหนดสุดท้ายโดยไม่ต้องทำให้เงาเพิ่มเติม ดังนั้นจึงสามารถขจัดขั้นตอนการเจียระไนและการกำจัดแตกลายที่มักเพิ่มเวลาในการผลิต 15–30% เมื่อเทียบกับกระบวนการทำงานแบบทั่วไป

ไม่มีแตกลาย ไม่มีการบิดงอ ไม่มีการสึกหรอของเครื่องมือ – ข้อได้เปรียบของ EDM

เนื่องจากไม่มีการสัมผัสระหว่างเครื่องมือกับชิ้นงาน EDM จึงสามารถหลีกเลี่ยง:

• การสึกหรอของแม่พิมพ์ : อิเล็กโทรดใช้งานได้นานกว่าดอกสว่านถึง 10 เท่าในวัสดุที่มีความแข็งสูง
• การบิดงอจากความร้อน : พลังงานการปล่อยไฟฟ้าต่ำกว่า 0.1J ช่วยป้องกันบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน
• แรงเครียดทางกล : ส่วนที่ละเอียดบางถึงระดับ 0.2 มม. ยังคงสภาพสมบูรณ์

สิ่งนี้ทำให้ EDM เหมาะสำหรับหัวฉีดเชื้อเพลิงในอุตสาหกรรมการบินและชิ้นส่วนทางการแพทย์ที่ฝังเข้าในร่างกาย เนื่องจากข้อบกพร่องในระดับไมโครไม่สามารถยอมรับได้

ประสิทธิภาพในระยะยาวแม้จะมีอัตราการขจัดวัสดุที่ช้าลง

แม้ว่า EDM จะมีอัตราการขจัดวัสดุช้ากว่าการกัด (2–8 ลบ.มม./นาที เทียบกับ 30–100 ลบ.มม./นาที) แต่สามารถบรรลุประสิทธิภาพรวมที่ดีกว่าผ่าน:

ประโยชน์เหล่านี้ช่วยชดเชยความเร็วในการตัดที่ช้าลง โดยเฉพาะในงานที่ใช้กับเหล็กที่ผ่านการชุบแข็งและทังสเตนคาร์ไบด์

EDM สำหรับวัสดุแข็งและรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน

การกลึงเหล็กที่ผ่านการชุบแข็ง ทังสเตน และคาร์ไบด์ ด้วยความง่าย

เครื่องกัดด้วยประกายไฟฟ้า (EDM) ที่ใช้ในการกัดเซาะด้วยประกายไฟฟ้า ทำงานได้ดีเยี่ยมกับวัสดุที่มีความแข็งสูงกว่าระดับ HRC70 สามารถใช้งานกับวัสดุที่มีความแข็งสูง เช่น เหล็กกล้าสำหรับทำแม่พิมพ์ที่ผ่านการชุบแข็งแล้ว โลหะผสมทังสเตน และวัสดุคาร์ไบด์ที่มีความแข็งมาก ซึ่งเครื่องมือทั่วไปไม่สามารถตัดเจาะได้ วิธีการกลึงแบบดั้งเดิมมักพบปัญหาเมื่อต้องทำงานกับวัสดุที่มีความแข็งระดับสุดขั้วเหล่านี้ เนื่องจากเครื่องมือสึกหรอเร็ว และชิ้นงานอาจเกิดการบิดงอหรือเสียรูปในระหว่างการประมวลผล สิ่งที่ทำให้ EDM แตกต่างคือหลักการทำงานที่อาศัยความร้อนแทนการใช้แรงกดโดยตรง เครื่องจักรจะละลายวัสดุโดยไม่สัมผัสชิ้นงานโดยตรง ด้วยเหตุที่ไม่มีการสัมผัสโดยตรงนี้ ทำให้ผู้ผลิตสามารถตัดชิ้นส่วนที่มีรูปทรงซับซ้อนได้ เช่น ใบพัดสำหรับเครื่องยนต์เครื่องบินและแทรกเกอร์คาร์ไบด์ โดยไม่กระทบต่อคุณสมบัติทางโครงสร้างของวัสดุเอง ซึ่งเป็นสิ่งที่มีความสำคัญอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมที่ต้องการความแม่นยำสูงเป็นพิเศษ

การสร้างโพรงและร่องที่มีความซับซ้อน ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม

เทคโนโลยีนี้สามารถสร้างรูปทรงเรขาคณิตที่เป็นไปไม่ได้ด้วยวิธีกัดหรือกลึง เช่น อัตราส่วนความลึกต่อความกว้าง 50:1 ในช่องระบายความร้อน หรือรัศมีที่มีความแม่นยำสูง ±3 ไมครอนในอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์ การศึกษาในปี 2023 โดยสถาบันการผลิตขั้นสูงพบว่าการใช้ EDM ลดอัตราของเสียลง 18% ในการผลิตหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีรูขวางขนาด 0.05 มม. เส้นทางอิเล็กโทรดที่สามารถโปรแกรมได้ช่วยให้สามารถทำ:

• โพรงเกลียวสามมิติสำหรับแม่พิมพ์ฉีดพลาสติก
• ร่องลึกและมุมฉากภายในที่แหลมคมสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ฝังร่างกาย
• รายละเอียดขนาดเล็กที่มีขนาดต่ำกว่า 50 ไมครอนในชิ้นส่วนนาฬิกา

การใช้งานที่เพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมการผลิตแม่พิมพ์และเครื่องมือต่าง ๆ

ปัจจุบันมากกว่าสองในสามของผู้ที่ทำงานด้านการทำแม่พิมพ์ความแม่นยำเริ่มนำเทคโนโลยี EDM มาใช้เมื่อต้องจัดการกับพินแกนและระบบปลดชิ้นงานที่มีความซับซ้อน นอกจากนี้ อุตสาหกรรมยานยนต์ยังได้รับประโยชน์อย่างมากเช่นกัน เนื่องจาก EDM สามารถประมวลผลแม่พิมพ์ได้แคสติ้งที่ผ่านการชุบแข็งแล้วด้วยการกลึงแบบ 5 แกน ซึ่งขั้นตอนนี้ทำให้ไม่ต้องใช้เวลานานในการขัดเงาด้วยมือที่เคยใช้เวลาหลายสัปดาห์ ในปัจจุบันเมื่อผู้ผลิตต้องการชิ้นส่วนที่เล็กลงและเบากว่าเดิมจากวัสดุโลหะผสมใหม่ๆ EDM จึงมีความสำคัญมากยิ่งขึ้น เราเห็นการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้เพื่อสร้างช่องระบายความร้อนพิเศษภายในแม่พิมพ์ได้แคสติ้ง รวมถึงลวดลายพื้นผิวที่ละเอียดซับซ้อนที่จำเป็นสำหรับแม่พิมพ์ออปติคอลในหลากหลายอุตสาหกรรม

คำถามที่พบบ่อย

• วัสดุใดที่เหมาะที่สุดสำหรับการกลึงด้วย EDM?
  EDM มีประสิทธิภาพสูงเมื่อใช้กับวัสดุที่แข็ง เช่น เหล็กชุบแข็ง ทังสเตนคาร์ไบด์ และวัสดุที่นำไฟฟ้าได้ทุกชนิด
• EDM ให้ความแม่นยำสูงได้อย่างไร?
  EDM บรรลุความแม่นยำระดับไมครอนผ่านการกำจัดวัสดุแบบไม่สัมผัส การควบคุมตำแหน่งอิเล็กโทรดแบบเรียลไทม์ และการปรับปรุงไดนามิกของของเหลวฉนวน
• EDM ช่วยกำจัดขั้นตอนการผลิตขั้นสุดท้ายหรือไม่
  ใช่ EDM มักจะให้คุณภาพพื้นผิวสุดท้ายในระหว่างการกลึง ทำให้ลดหรือกำจัดความจำเป็นในการตกแต่งเพิ่มเติม การเจาะ การขัดเงา หรือการขัดผิว
• ข้อดีของ EDM เมื่อเทียบกับการกลึงแบบดั้งเดิมคืออะไร
  EDM ให้การตัดที่แม่นยำโดยไม่มีความเครียดทางกล กำจัดเศษโลหะ และต้องการขั้นตอนการผลิตขั้นสุดท้ายน้อยลง ทำให้เหมาะกับชิ้นส่วนที่ซับซ้อนและมีมูลค่าสูง
• EDM มีความเร็วช้ากว่าวิธีการดั้งเดิมหรือไม่
  แม้ว่า EDM อาจมีอัตราการกำจัดวัสดุที่ช้ากว่า แต่ประสิทธิภาพในระยะยาวเกี่ยวกับอายุการใช้งานของเครื่องมือ อัตราของของเสียที่ลดลง และการตกแต่งพื้นผิว มักทำให้ EDM มีความได้เปรียบมากกว่าสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง