افزودن پودر فلزی به فرایند ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی

مقدمه

صنایع پیشرفته تکنولوژی مانند هوانوردی، راکتورهای هسته‌ای، خودروسازی و… همواره به موادی که از نسبت استحکام به وزن بالایی برخوردارباشند، مانند آلیاژهای مقاوم در برابر دماهای بالا نیازدارند. 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، بطوریکه 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 مقاوت حرارتی و استحکام بالا، کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف، استلیت‌ها (آلیاژهایی با پایه کبالت)، سرامیک‌ها و آلیاژهایی که ماشینکاریشان مشکل است رابرش بزند، دیگر امکان‌پذیر نیست. تولید اشکال پیچیده درچنین موادی، به وسیلهٔ روش‌های سنتی بسیار مشکل است. نیازهای دیگر که درسطحی 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 عموما در محصولاتی موردنیاز هستندکه 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.

تعریف فرایند

تاریخچه این فرایند به اواخر قرن هجدهم برمیگردد. در سال ۱۷۶۸ جوزف پریسلیدر حین تولید الکتریسیته ساکن از نور سفید، جرقه‌هایی را مشاهده کردکه به آسانی قابل برطف 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. درسال۱۹۶۰ ترانزیستورها و پالس ژنراتورها به کار گرفته شدند. 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.

فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی

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 وکنترل شده‌ای از یکدیگر قراردارند وفضای بین آن‌ها را سیالی به نام دی الکتریک پرکرده‌است، در نزدیک‌ترین پیک مخالف بین ابزار و قطعه کار، جرقه الکتریکی تولید می‌شود و براده برداری صورت می‌گیرد.
امروزه مورد توجه پژوهشگران حوزه صنعتی، بکارگیری روش‌هایی برای بهینه‌سازی پارامترهای ورودی و خروجی فرایند تخلیه الکتریکی قرار گرفته‌است.

پارامترهای ورودی

شدت جریان جرقه
شدت جریان جرقه یکی از مهم‌ترین پارامترهای ورودی و متأثر از جریان تنظیمی در فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی به حساب می‌آید.
زمان روشنی پالس
زمان روشنی پالس پارامتری است که در انرژی پالس نقش مؤثری دارد. 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

ولتاژ مدار با زکه به ولتاژ بدون بار نیز معروف است، درفاصله زمانی وصل ولتاژ تا شروع جریان اعمال می‌شود و در پایداری فرایند مؤثراست. بطوری 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 وایجاد 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

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

الکتریک سیالی است که مقاومت زیادی در مقابل یونیزاسیون از خود و کوچک و محدود نگه داشتن کانال پلاسما و متعاقب آن تمرکز انرژی در کانال ایجاد شده، دی یونیزه شدن سریع و تقلیل زمان خاموشی پالس، سرد نگه داشتن محیط، شست‌وشوی آلودگی‌های حاصل از ماشینکاری و جلوگیری از ایجاد ناپایداری، ایجاد فاصله کوچک و نزدیک بین دو الکترود و انتقال بهتر جزییات به قطعه کار ونیز ایجاد سختی سطحی به ویژه در ماشینکاری فولاد، نقش عمده دی الکتریک است. این سیال معمولاً از هیدروکربورهای زنجیری و خطی مانند نفت سفید و روغن ترانس انتخاب می‌شود.
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
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.

سرعت براده برداری

سرعت براده برداری، مقدار حجم برداشته شده از قطعه کار در واحد زمان است. 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 عموما 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. به علاوه ناپایداری فرایند و ارتعاشات ابزار نیز در صافی سطح اثر دارند.

نتایج تجربی افزودن پودرهای رسانای فلزی

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.
در ماشینکاری بادی الکتریک خالص شیار و خراش‌های نامنظم و عمیق تری 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.
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.
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.