積層造形WCによる火花侵食

Jun 21, 2023

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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試験で確認できました。 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。