موضوع مقاله: ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی | مقدمه: در این فرایند، منبع تغزیه پالسی با ولتاژ مناسب باعث ایجاد جرقه‌های متناوب در فاصلهٔ بسیار کم میان ابزار و قطعه کار می‌شود که انرژی حاصل از آن موجب ذوب و تبخیر موضعی ماده می‌گردد. | ## بخش 1: ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی | در ماشین کاری تخلیه الکتریکی، هیچ گونه تماس مکانیکی مستقیمی میان ابزار (الکترود) و قطعه کار وجود ندارد و به همین دلیل نیروهای برشی متداول در روش‌های سنتی حذف می‌شوند. عملکرد این فرایند وابسته به خواص مکانیکی ماده مانند سختی یا تردی نیست و تنها شرط اساسی آن رسانایی الکتریکی قطعه کار است. پژوهشگران حوزه علم مواد نیز موادی را به وجود آوردند که دارای استحکام، سختی وچقرمگی بالاتر و همچنین خواص متنوع دیگر باشند. این امر باعث رشد و توسعه جنس ابزارهای برش بهتر می‌شود، به طوری که از بهره‌وری کاسته نشود. این یک حقیقت آشکار است که در فرایندهای ماشین‌کاری سنتی، افزایش سختی جنس قطعه کار باعث کاهش سرعت برش اقتصادی می‌شود. دست یابی به جنس ابزاری که به اندازه کافی سخت و مقاوم باشد تا بتواند در سرعتهای برش اقتصادی موادی مانند تیتانیوم، فولاد زنگ نزن، نیمونیک‌ها و دیگر آلیاژهای مشابه با مقاومت حرارتی و استحکام بالا، کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف، استلیت‌ها (آلیاژهایی با پایه کبالت)، سرامیک‌ها و آلیاژهایی که ماشینکاری آنها مشکل است را برش بزند، دیگر امکان‌پذیر نیست. نیازهای دیگر که در سطحی بالاتر قرارمی‌گیرند، عبارتند از پرداخت بهتر، مقادیر کمتر تلرانس‌ها، نرخ تولید بالاتر، اشکال پیچیده،انتقال اتوماتیک داده‌ها و ساخت در مقیاس‌های خیلی کوچک (مینیاتوری)، ایجاد سوراخ (با زوایای ورودی کم، غیر دایره‌ای، با اندازه ای میکرونی، نسبت ابعادی زیاد، تعداد زیادی سوراخ ریز در یک قطعه کار، سوراخ‌های منحنی شکل، سوراخ بدون پلیسه و…)در مواردی که سخت ماشین‌کاری می‌شوند، موارد دیگری است که فرایندهای مناسب رامی طلبد. ویژگی‌های مذکور عموماً در محصولاتی موردنیاز هستند که در صنایعی نظیر هوافضا، رآکتورهای هسته‌ای، موشک‌ها، توربین‌ها، اتومبیل هاو… استفاده می‌شوند؛ بنابراین نیاز به ابزار و فرایندهایی که بتوانند به دقت و سهولت هر چه بیشتر اشکال پیچیده و دقیق را در موادی با کمترین توانایی ماشین‌کاری ایجاد کنند احساس می‌شود. در سال ۱۷۶۸ جوزف پریسلیدر حین تولید الکتریسیته ساکن از نور سفید، جرقه‌هایی را مشاهده کردکه به آسانی قابل برطرف شدن نبودند. در سال ۱۹۳۵، لازارنکو دانشمند روسی ضمن مطالعه نامه پریسلی درکتابخانه مسکو به فکر ابداع روشی برای براده برداری توسط جرقه افتاد. در سال ۱۹۴۰ و درجریان جنگ جهانی دوم ماشینکاری از مواد سخت مطرح و در پی آن اولین دستگاه روش براده برداری جرقه‌ای در سال ۱۹۴۳توسط لازارنکو ساخته شد. در سال۱۹۵۰ استفاده از ژنراتورهای دوار و لامپ هی خلاء در ماشین‌های اسپارک متداول گردید. در سال ۱۹۳۰ آی سی‌ها واستفاده از آن‌ها دراین فرایند همچنین در حوالی ۱۹۸۰ ریزپردازنده‌ها واستفاده از آن‌ها برای کنترل حرکت‌ها و فرایند متداول گردید. این فرایند ماشینکاری به روش تخلیه الکتریکی که به فرسایش جرقه‌ای نیز موسوم است یک روش براده برداری غیر سنتی است که در بین دو الکترود به نام‌های ابزار و قطعه کار که در فاصلهٔ معین و کنترل شده‌ای از یکدیگر قراردارند و فضای بین آن‌ها را سیالی به نام دی الکتریک پرکرده است، در نزدیک‌ترین پیک مخالف بین ابزار و قطعه کار، جرقه الکتریکی تولید می‌شود و با ذوب شدن قطعه کار براده برداری صورت می‌گیرد. امروزه مورد توجه پژوهشگران حوزه صنعتی، به‌کارگیری روش‌هایی برای بهینه‌سازی پارامترهای ورودی و خروجی فرایند تخلیه الکتریکی قرار گرفته است. پارامترهای ورودی شدت جریان جرقه، از مهم‌ترین پارامترهای ورودی و متأثر از جریان تنظیمی در فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی به حساب می‌آید. به علاوه بسیاری از پارامترهای مهم خروجی از قبیل: سرعت باربرداری، فرسایش ابزار، صافی سطح و نیز فاصله ابزار و قطعه کار به این پارامتر وابسته است. ولتاژ مدار باز همچنین به ولتاژ بدون بار نیز معروف است، درفاصله زمانی وصل ولتاژ تا شروع جریان اعمال می‌شود و در پایداری فرایند مؤثراست. به طوری که باازدیاد آن می‌توان فاصله ابزار و قطعه کار و در نتیجه پایداری فرایند را افزایش داد. پلاریته ابزار، از آنجا که عمدتاً اساس ایجاد جرقه، حرکت الکترونی و مبنای براده برداری و ایجاد چاله مذاب، برخورد ذرات باردار به ویژه یون‌های مثبت پس از ایجاد جرقه در فرایند تخلیه الکتریکی است. حرکت الکترون‌ها درون کانال ایجاد شده و تغییر شدت جابجایی آنها، باعث ایجاد میدان مغناطیسی القائی می‌شود. تغییر میدان القائی هم نیز باعث تغییر پلاریته الکترود که یک امر حتمی هست، خواهدشد. زمان خاموشی پالس، مقدار زمان لازم پس از قطع جرقه، به منظور سرد شدن قطعه کار و شست‌وشوی بهتر آلودگی هاست، به طوری که محیط رابرای ایجاد جرقه‌های مطلوب و پایداری بیشتر فرایند فراهم می‌کند. فاصله ابزار و قطعه کار، پارامتری است که در مدارهای وابسته به فاصله ابزار و قطعه کار بر روی تمامی پارامترها فرایند تأثیرگذاراست. انتخاب ابزار در فرایندهای تخلیه الکتریکی انتخاب ابزار براساس خواص فیزیکی و مکانیکی بسته به اینکه معیارهای سنجش پارامترهای خروجی در چه حد و اندازه‌ای باشد،انتخاب می‌شود. دی الکتریک سیالی عایق است که مقاومت بالایی در برابر یونیزه شدن دارد و در فرایند ماشین کاری با تخلیه الکتریکی نقش اساسی ایفا می‌کند. این سیال با محدود و متمرکز نگه داشتن کانال پلاسما، موجب تمرکز انرژی در ناحیه تخلیه می‌شود و با دی یونیزه سازی سریع محیط، زمان خاموش پالس را کاهش می‌دهد. علاوه بر این دی الکتریک با خنک سازی ناحیه ماشینکاری، شست و شوی ذرات و آلودگی‌های حاصل از براده برداری، جلوگیری از ناپایداری تخلیه‌ها دقت فرایند و انتقال بهتر جزئیات هندسی به قطعه کار را امکان‌پذیر می‌سازد. سیالات دی الکتریک مورد استفاده در EDM معمولاً از هیدروکربن‌های زنجیری و خطی انتخاب می‌شوند که از جمله رایج‌ترین آنها می‌توان به نفت سفید و روغن ترانسفورماتور اشاره کرد. | ## بخش 2: ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی | شست‌وشو، روش شست‌وشو در پایداری فرایندهای ماشینکاری و به تبع آن اخذ پارامترهای مهم خروجی به نحو مطلوب اهمیت دارد. پارامترهای خروجی زمان تأخیر جرقه، از پارامترهای خروجی است که بسیاری از خصوصیات و رفتار پالس‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد و آن مدت زمان لازم از لحظه برقراری ولتاژ تا ایجاد جرقه است و مقدار آن از صفر (اتصال کوتاه یا جرقه آرک) تا طول زمان روشنی پالس (پالس مدار باز) متغیر است. ولتاژ جرقه، پس از ایجاد پل کانال بخار و پلاسما بین دو الکترود، ولتاژ بین دو الکترود از مقدار اولیه (ولتاژ مدارباز) به سرعت افت کرده و به سطح ولتاژ جرقه می‌رسد و در طول زمان جرقه به آرامی تنزل می‌کند تا اینکه جرقه قطع شود. شدت جریان جرقه، کلیه پارامترهایی که درشکل و مقدار جرقه مؤثرند در شدت جریان جرقه نیز اثر دارند. زمانی که مقاومت مایع دی الکتریک واسط دو الکترود می‌شکند شدت جریان جرقه با شیب تند و سریع به پیک خود نزدیک می‌شود تا پایان زمان جرقه با شدت کمی افزایش می‌یابد. برای یک قطعه کار مشخص و ابزار باشکل، پلاریته معین ونیز دی الکتریک ثابت، سرعت براده برداری به عواملی از قبیل مقدار وشکل جریان جرقه، زمان روشنی و خاموشی پالس بستگی دارد. فرسایش نسبی ابزار، نسبت حجم کنده شده از ابزار به حجم برداشته شده از قطعه کار، فرسایش نسبی ابزار نام داردکه معمولاً برحسب درصد بیان می‌شود. تغییرات فرسایش نسبی ابزار و سرعت براده برداری عموماً عکس یکدیگرند به طوری که در فرایند پایدار که سرعت براده برداری زیاد باشد فرسایش نسبی ابزار کم است. صافی سطح، ماهیت سطحی مواد ماشینکاری شده از پارامترهای مهم خروجی است که دقت و کیفیت ان حایز اهمیت است. صافی سطح ماشینکاری شده به مقدار انرژی جرقه که خود تابع پارامترهای مهمی ازقبیل شدت جریان جرقه، ولتاژ و زمان جرقه است، بستگی دارد. از این رو کلیه عواملی که به نحوی در پارامترهای مذکور دخیل اند در صافی سطح مؤثرند. نتایج تجربی نتایج تجربی افزودن پودرهای رسانای فلزی به این شرح است که با افزایش جریان، مخصوصاً در فاصله ۵ تا ۷۵ میکروثانیه از دوره تناوب پالس، که باعث افزایش نرخ براده برداری در حالت با پودر می‌شود، زبری سطح حالت با پودر نسبت به حالت بدون پودر بهتر می‌شود که این همان ماشینکاری سریع و دقیق تراست.R. در ماشینکاری بادی الکتریک خالص شیار و خراش‌های نامنظم و عمیق‌تری روس سطح قطعه کار ایجاد می‌شود، که باعث زبری آن می‌شود؛ ولی باافزودن پودر به دی الکتریک، پودرها باعث توزیع انرژی تخلیه الکتریکی و اصابت به سطح قطعه کار وکم عمق شدن شیارها و منظم شدن حفره‌ها می‌شود و لذا صافی سطح بهبود می‌یابد.Assarzadeh, S. درحالت استفاده از پودر، به دلیل افزایش گپ، براده‌ها به راحتی خارج شده و در نتیجه این روش پایداری بیشتری نسبت به حالت معمولی و بدون پودر دارد که این موضوع نقش مؤثرتری در افزایش نرخ براده برداری دارد.H.K. درجریان‌های کم درحالت پرداخت مقدار نرخ براده برداری حالت استفاده از پودر از حالت دی الکتریک بدون پودر بیشتر و صافی سطح بهتری نیز دارد.Kumar, H. از وایرکات برای برش صفحات ضخیم تا قطر ۳۰ سانت استفاده می‌کنند تا سمبه، ماتریس یا ابزارهایی را از موادی بسازند که بسیار سخت هستند و ماشینکاری آنها با دستگاه‌های دیگر بسیار مشکل است. در این حالت یک قطعه معمولاً مسی (سمبه) با شکلی ساده یا پیچیده مرتباً به یک قطعه کار بسیار نزدیک شده و دوباره فاصله می‌گیرد و به این ترتیب در هر بار نزدیک شدن جرقه‌های پیوسته الکتریکی ایجاد می‌کند. جرقه‌های ایجاد شده باعث جدا شدن ذرات بسیار ریزی از قطعه کار شده و گازوئیل آنها را از محل شستشو می‌دهد و به این ترتیب به آرامی و در مدت زمانی طولانی روی قطعه کار شکل سمبه ایجاد می‌شود ۳- از ماشین‌های تخلیه الکتریکی سوراخ‌کاری یا سوپر دریل برای ایجاد سوراخ‌های بسیار ریز و عمیق در قطعات فلزی استفاده می‌شود. می‌توان گفت که این دستگاه در واقع نوعی خاص از دستگاه اسپارک است که فقط برای ایجاد سوراخ استفاده می‌شود. در این روش یک مفتول فلزی (الکترود فلزی) به آرامی به قطعه کار نزدیک شده و جرقه‌های الکتریکی ایجاد می‌شود همزمان مایع دی‌الکتریک در محل ایجاد جرقه به‌طور پیوسته جریان دارد تا ذرات ریز و بخار شده فلز را شستشو دهد. سوراخ‌کاری دقیق در این روش و توانایی سوراخ‌کرن سخت‌ترین فلزات باعث شده تا این روش در صنعت مورد توجه قرار بگیرد بویژه در صنایع هوایی که نیاز به سوراخکاری دقیق در فلزات بسیار مستحکم است. سیم وایرکات نقش سیم وایرکات انتقال جرقه است و باید رسانایی خوب و استحکام کافی داشته باشد. قطر سیم رسانا معمولاً در حدود ۰٫۱ تا ۰٫۳ میلیمتر است، اما می‌توان در انواع دیگری از قطرها نیز آن را یافت. این سیم‌ها به دلیل نیاز به دقت بالا در برش و امکان برش قطعات پیچیده و دقیق، بسیار نازک و کنترل شده ساخته می‌شوند. سیمهای مصرفی در وایرکات از جنس مسی یا برنجی با پوششهای متفاوت روی و اکسید روی بی فرمولهایی برای برش بهتر می‌باشد. این سیمها با کششهای متفاوت معمولاً”۹۰۰–۵۰۰> نیوتن برمتر مصرفی بوده و به دلیل فرسودگی با جرقه وافت سایز فقط یکبار مصرف می‌شوند. با این روش اسپارک مانند فشاری روی قطعه کار و محورهای دستگاه نیست و این دستگاه به صورت میکرون به میکرون حرکت می‌کند و مادامی که از کامپیوتر خود فرمان می‌گیرد، بدون هیچ خطایی در مسیر خود حرکت می‌کند. با این مزیت می‌توان انواع قطعات دقیق و قالبهای مرحله‌ای سنبه و ماتریس و پلاستیک را طراحی و اجرا کرد. به عنوان مثال در قالبهای مرحله‌ای نمی‌توان قابلیت وایرکات را با بقیه دستگاه‌ها حتی فرز CNC مقایسه کرد. | ## بخش 3: ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی | این توانایی را در هیچ‌یک از دستگاه‌های فرز یا تراش CNC نمی‌توان مشاهده کردٍ همچنین متریالهای رسانا را که سختی بسیار بالایی دارند و با هیچ ابزار نمی‌توان آن‌ها را ماشینکاری کرد با این روش به راحتی قابل براده برداری است.گروه فنی مهندسی پیشگام اتوماسیون محدودیت‌ها پیچیدگی و گسترده بودن سیستم‌های وایرکات ضمن بالا بردن هزینه‌های اولیه باعث ایجاد حساسیت در کار این دستگاه شده و هزینه نگهداری بالایی را موجب می‌شود. اگر چه اصول این فرایند همان اسپارک معمولی است، ولی تفاوت‌هایی وجود دارد که آن را به عنوان یک فرایند منحصر به فرد نشان می‌دهد. در این روش یک چرخ سنگ زنی دوار و هادی الکترونی به عنوان الکترود یا ابزار برشی به همراه قطعه کار در وان دی الکتریک که حاوی یک هیدرو کربن به عنوان دی الکتریک است قرار دارند. مایع دی الکتریک از میان گپ کوچکی که بین سنگ و قطعه کار وجود دارد جاری می‌شود و حرکت چرخشی سنگ جریان ممتد و یکنواخت این مایع را تضمین می‌کند، از این رو بسیاری از مشکلات شست‌وشو در اسپارک معمولی را تا حدودی مرتفع می‌سازد. جریان منقطع پالسی، یک جرقه الکتریکی کوچک در کوتاه‌ترین فاصله بین سنگ و قطه کار ایجاد می‌کند و چاله کوچکی از مذاب فلز در نقطه اصابت جرقه تشکیل می‌شود. در اثر حذف جرقه، فلز مذاب از روی قطعه کار بیرون ریخته می‌شود و در نتیجه این عمل گودال کوچکی باقی می‌ماند. با توجه به اینکه هیچ اتصال مکانیکی بین سنگ و قطعه کار وجود ندارد، فرایند EDG در مقایسه با روش‌های سنگ زنی مکانیکی از قابلیت زیادی برخوردار بوده و با این روش می‌توان قطعات سخت و ترد را ماشین کاری کرد یا برش داد وبا تیز کردن سنگ‌ها و تراش آن‌ها اشکال پیچیده پدیدآورد، در صورتی که ماشین کاری این مواد با سنگ زنی معمولی و استفاده از سنگ‌های الماسه هزینه زیادی خواهد داشت. تجهیزات تشابه زیادی بین ماشین‌های EDG و EDM (ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی) و ماشین‌های سنگ معمولی وجود دارد. سیستم مولد قدرت، سیستم هدایت دی الکتریک و سیستم فیلتره و صاف کردن دی الکتریک آن‌ها، تقریباً مشابه سیستم‌های EDM معمولی است. همچنین حرکت دورانی محور ماشین و نحوه نصب و سوار کردن آن دقیقاً شبیه ماشین‌های سنگ پیشانی است. شکل ظاهری سنگ و سیستم چرخش خودکار ان در EDG و ماشین سنگ معمولی کاملاً یکسان hاست. سنگ‌ها سنگ‌های استفاده شده درEDG معمولاً از نوع اسفنجی (متخلخل) و از جنس گرافیت با گرید پایین است. در فرایند EDG سنگ‌های ماشین کاری و شکل‌دهی از ترکیبات گرافیتی هستند، ارزان بوده و مواد فولادی را با سرعت بسیار زیادی ماشین کاری می‌کنند. برای مثال هزینه سنگ فرم الماس ۱۵۰–۱۵۰۰ دلار و هزینه یک سنگ فرم EDG تقریباً ۵۰ دلار است. در اثر فرسایش، سنگ دقت اولیه اش را از دست می‌دهد، از این رو تراش سنگ تقریباً بعد از هر مرحله ماشین کاری انجام می‌گیرد. سیستم خودکار Servo – drive system سیستم خودکار EDG یک سیستم منحصر به فرد بوده به‌طوری‌که در این سیستم سنسورهایی در محل تعبیه شده که گپ ثابت بین سنگ و قطعه کار را در تمام مدتی که عمل تغذیه و هدایت قطعه کار را در تمام مدت به زیر سنگ لازم باشد، به‌طور دینامیکی تأمین می‌کند. این عمل از طریق سیستم نظارت الکتریکی تقویت شده در فاصله گپ ماشین کاری انجام می‌گیرد و نتایج به دست آمده را با محدوده تنظیم شده و فاصله گپ مورد نظر مورد مقایسه قرار می‌دهد. در این سیستم اگر مدار حس کند که گپ ماشین کاری از مواد برداشته شده و آلودگی‌ها مسدود شده باشد قطعه کار اجازه خواهد داد تا گپ قبل از هر اقدامی تمیز شود. به هرحال با افزایش جریان سطح به دست آمده خشن و ناهموار بوده و عمق و ناحیه متأثر از حرارت نیز زیادتر می‌شود، جریان اسپارک رابطه بین گپ و قطعه سنگ را تعیین می‌کند که روی سطح پرداخت مؤثر است، به‌طوری‌که اگر گپ بیشتر شود سطح پرداخت صاف‌تر خواهد شد. محدوده فرکانسی این نوع از ماشین‌ها معمولاً بین ۵۰ – ۲۵۰ کیلو هرتز قابل تنظیم است. سنگی به قطر ۳۰۵ میلی‌متر باید در بهترین حالت تقریباً با ۱۲۵ دور بر دقیقه کار می‌کند. قابلیت‌های فرایند با توجه به ویژگی عدم اتصال و برخورد در فرایند، EDG فرایندی فوق‌العاده مفید است و قطعات نازک و خیلی ظریف و ترد و همچنین مواد سخت به راحتی با این فرایند سنگ زنی می‌شوند. برای مثال کاربیدها با EDG 200-300% سریعتر از سنگ زنی معمولی با الماس سنگ زده می‌شوند. سطح پرداخت به دست آمده با این روش برای کاربیدها ۰٫۲ میکرون و برای فولاد ۰٫۳ میکرون است. بهینه‌سازی‌ها در سال‌های اخیر پژوهشگران روش‌های متعددی را برای بهینه‌سازی این روش ماشینکاری ارائه کرده‌اند. از جمله موثرترین آنها می‌توان به استفاده از میدان مغناطیسی کمکی در فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی استفاده کرد. در این روش از یک مجموعه ایجاد میدان مغناطیسی کمکی که شامل منبع تغذیه، کویل و مدار کنترل است استفاده می‌شود. کویل در محدوده ماشینکاری نصب می‌شود و با ایجاد یک میدان مغناطیسی حول محدوده ماشینکاری به تراکم بیشتر کانال پلاسما ایجاد شده ناشی از جرقه کمک می‌کند و بدین ترتیب راندمان ماشینکاری افزایش می‌یابد. میدان مغناطیسی کمکی بر روی یون‌های موجود در کانال پلاسما اثر گذاشته و الکترون‌هایی که در مسیر آزاد حرکت می‌کنند را به کانال پلاسما هدایت می‌کند. | ## جمع‌بندی | از طرف دیگر این میدان مغناطیسی کمکی با پاکسازی بهتر محدوده ماشینکاری از ذرات ناشی از براده برداری، منجر به کاهش پالس‌های کوتاه (افزایش راندمان)، کاهش زبری سطح و افزایش یکپارچگی سطح می‌شود.