ماشین‌کاری شیمیایی
ماشین‌کاری شیمیایی به صورت مخفف (CHM) یکی از فرایندهای ماشین‌کاری غیر سنتی شناخته شده‌است. شاید این نوع ماشین‌کاری قدیمی‌ترین نوع ماشین‌کاری غیر سنتی باشد که نام دیگر آن حکاکی شیمیایی یا chemical etching می‌باشد.
مکانیزم برداشتن فلز، واکنش شیمیایی بین قطعه و واکنشگر است.
ماشین‌کاری شیمیایی یک فرایند انحلال شیمیایی کنترل شده (CD) ماده قطعه کار از طریق تماس با یک معرف شیمیاییاسیدی یا قلیایی قوی است. پوشش خاصی به نام maskants، از مناطقی از فلز که ماشینکاری نمی‌شوند محافظت می‌کند. (پوشش خاص به نام maskants از مناطقی از فلز که حذف نمی‌شود محافظت می‌کند).
امروزه این روش بیشتر در تولید حفره‌های کم عمق در قطعات مختلف مستقل از سختی آن‌ها به کار می‌رود علاوه بر این، روش‌های ماشینکاری به‌طور گسترده‌ای به تولید میکرو اجزای سازنده برای کاربردهای مختلف صنعتی از قبیل سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) و صنایع نیمه هادی تا قطعات بسیار بزرگ تا طول ۱۵ متر استفاده می‌شود.
ماشین‌کاری شیمیایی مشتمل بر دو دسته اصلی فرز کاری شیمیایی (chemical milling) و ماشین‌کاری فتو شیمیایی Photo) chemical machining – PCM)
عوامل متعددی به رواج فرایندهای ماشین‌کاری شیمیایی کمک می‌کند که به شرح زیر است:
این روش در صنایع هواپیما سازی و هوا فضا از اهمیت ویژهای برخوردار است. از این روش برای کاهش ضخامت موضعی ورق‌های بدنه هواپیما یا موشک با هدف افزایش نسبت استحکام به وزن (stiffness to weight ratio) استفاده می‌شود. همینطوردر صنایع فلزی برای ایجاد وب و ریب (web, rib) در قطعات فرج، فرم و ریخته‌گری استفاده می‌شود. شکل ۲–۴ به صورت شماتیک این فرایند را نشان می‌دهد.
همچنین در بسیاری از از مواقع برای بهبود وضعیت سطوح استفاده می‌شود (شکل ۴–۳) نظیر:
در فرز کاری شیمیایی یک پوشش محافظ) ماسک (قسمت‌هایی از ماده را که قرار نیست، در محلول خورده شود می‌پوشاند. این روش برای ایجاد حفره (pocket) و کنتور استفاده می‌شود همین‌طور برخی کاربردهای خاص از این روش بر گرفته شده‌است (شکل ۴–۴) و شامل مراحل زیر است:
در فرزکاری شیمیایی عمق حکاکی با زمان قرارگیری در محلول کنترل می‌شود. باید در نظر گرفت که محلول‌های شیمیایی بسیار خورنده هستند و باید احتیاط لازم در حین کار کردن و حمل نقل آن‌ها صورت پذیرد.
بخارات و گازهای متصاعد شده در اثر واکنش شیمیایی باید در راستای پیشگیری‌های محیطی کنترل شود.
معمو ا لا محلول در حین فرایند با استفاده از ابزار مخصوص هم زده می‌شود. دمای متداول برای فرایند بین ۳۷ تا ۸۵ درجه سانتی گراد بوده و باید با تلرانس ±۵ کنترل شود تا خوردگی به صورت یکنواخت انجام شود. در دماها و غلظت محلول بالا نرخ براده برداری نیز بالاتر است.
هنگامی که از ماسک برای ماشینکاری استفاده می‌شود، باید توجه شود که برداشت ماده هم به سمت داخل قطعه و هم به سمت جانبی (زیر ماسک) اتفاقی می‌افتد. یک فاکتور مهم در این زمینه (EF (Etching factor یا فاکتور حکاکی که نسبت برداشت جانبی (undercut -du) به عمق حکاکی (Te) است. (شکل ۴–۵)
این روش حالتی منشعب از فرزکاری شیمیایی است با این تفاوت که ماسک محافظ با تکنیک فوتوگرافیک برقطعه اعمال می‌شود. هر دو روش در این زمینه که ماده تحت خوردگی شیمیایی قرار می‌گیرد مشابه هستند.
روش فرزکاری شیمیایی معمو ا لا برای قطعات سه بعدی که از روش‌هایی نظیر فورج و ریخته‌گری و … تولید شده‌استفاده می‌شود. در مقابل روش PCM یک روش اید ه آل برای ماشین‌کاری و ایجاد طرح‌های دقیق بر روی فویل از ضخامت حدود ۰٫۰۱ تا ۱٫۵ میلی‌متر است. بنابراین روش PCM یک جایگزین برای سوراخ کاری ورق به وسیله پرس‌های مکانیکی است.
یک تقاوت عمده دیگر بین دو روش این است که در فرزکاری شیمیایی عمق حفره توسط زمان باقی ماندن قطعه در حلال کنترل می‌شود اما در PCM توسط زمان اسپری شدن حلال بر قطعه. با توجه به اینکه حلال اسپری می‌شود، نرخ بار برداری بالاتر و کیفیت بهتری بدست می‌آید. گفته شده‌است که نرخ PCM بین ۵ تا ۱۰ برابر بیش از CH-Milling است. البته در PCM تجهیزات گرانقیمتی برای اسپری کردن حلال خورنده در دمای بالا با فشار بالا بکار می‌رود.
مراحل انجام PCM از قرار زیر است (شکل ۴–۷):
در مقایسه با دیگر فرایندهای ماشینکاری، ماشینکاری شیمیایی دارای مزایای بسیاری است، اما با برخی محدودیت‌ها.
مهم‌ترین مزیت عبارتند از:
کاهش وزن در خطوط پیچیده‌ای که برای ماشین استفاده از روش‌های مرسوم سخت است، ممکن هست.
معایب ماشینکاری شیمیایی:
فرایند ماشینکاری شیمیایی چند مرحله برای تولید قطعات و ماشین آلات دارد، این موارد در زیر آورده شده‌است.
ماشینکاری شیمیایی به‌طور گسترده‌ای برای تولید قطعات ماشین پیچیده و استفاده‌های مختلف و همچنین قطعات تزئینی استفاده می‌شود. این عملیات ماشینکاری باید با دقت برای تولید یک شکل هندسی مورد نظر انجام شود و همچنین قوانین زیست‌محیطی هنگام استفادهٔ ماشینکاری شیمیایی اثرات مهمی دارند.
مواد پوشش است که به نام برای محافظت از سطح قطعه کار از حکاکی شیمیایی شیمیایی استفاده می‌شود. پلیمر یا لاستیک اساس موادی است که معمولاً برای روش پوشش استفاده می‌شود. مواد پوشش انتخاب شده باید خصوصیات زیر را داشته باشد:
Etchantها، عامل تأثیرگذار در ماشینکاری شیمیایی از هر ماده‌ای است. حکاکی شیمیایی مختلف با توجه به ماده قطعه کار در دسترس هستند. بهترین حکاکی شیمیایی ممکن است باید خواص نیز را داشته باشد:
مسائل زیست‌محیطی در عملیات ماشینکاری شیمیایی ممکن است مهم‌ترین عامل تأثیرگذار در استفاده از فرایند ماشینکاری باشد. بسیاری از مواد شیمیایی مانند محلول تمیز کردن، etchants، سیم لخت کن و غیره مایعات بسیار خطرناک هستند؛ بنابراین حمل و دفع آن‌ها بسیار پر هزینه هستند. روند صنعتی استفاده از این مواد شیمیایی، انتخاب آن‌هایی است که بیشتر با محیط زیست سازگارند علاوه بر این احیاء ضایعات حکاکی شیمیایی و بازیابی فلز اچ از ضایعات etchants مورد مطالعه قرار گرفته و می‌تواند یک سیستم بازیابی مناسب برای برخی از etchants مانند FeCl3، CuCl2 و etchants قلیایی وجود داشته باشد.
[1] MATERIALS and PROCESSES in MANUFACTURING 9th Edition By Ernest Paul DeGarmo
[2] Archives of Materials Science and Engineering Volume 28 , Issue 8, Pages 499-۵۰۲