افزودن پودر فلزی به فرایند ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی

ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی بصورت مخفف (EDM) فرایند براده برداری است که در آن از یک منبع ترموالکتریکی به‌منظور براده برداری استفاده می‌شود.
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 بوجود آوردند که دارای استحکام، سختی وچقرمگی بالاتر و همچنین خواص متنوع دیگر باشند. این امر باعث رشد وتوسعه 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 ودیگر 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، بوسیله روشهای سنتی بسیار مشکل است. نیازهای دیگر که درسطحی بالاتر قرارمی گیرند، 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 اندازه‌ای 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، ، اتومبیل هاو… استفاده می‌شوند؛ بنابراین نیاز به 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
فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی
تاریخچه این فرایند به اواخر قرن هجدهم برمیگردد. درسال ۱۷۶۸ جوزف پریسلیدر حین تولید الکتریسیته ساکن از نور سفید، جرقه‌هایی را مشاهده کردکه به آسانی قابل برطف شدن نبودند. درسال ۱۹۳۵، لازارنکو دانشمند روسی ضمن مطالعه نامه پریسلی درکتابخانه مسکو به فکر ابداع روشی برای براده برداری توسط جرقه افتاد. درسال ۱۹۴۰ و درجریان جنگ جهانی دوم ماشینکاری از مواد سخت مطرح ودر 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 ازآنها برای کنترل حرکت‌ها و فرایند متداول گردید.
فرایند ماشینکاری 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 فاصله معین وکنترل شده‌ای از یکدیگر قراردارند وفضای بین آنها را سیالی به نام دی الکتریک پرکرده است، 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 گرفته است.
پارامترهای ورودی
شدت جریان جرقه
شدت جریان جرقه یکی از مهم‌ترین پارامترهای ورودی و متاثر از جریان تنظیمی در فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی به حساب می‌آید.
زمان روشنی پالس
زمان روشنی پالس پارامتری است که در انرژی پالس نقش موثری 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 موثراست. بطوری که باازدیاد آن می‌توان فاصله ابزار و قطعه کار و درنتیجه پایداری فرایند را افزایش داد.
پلاریته ابزار
از آنجا که عمدتا 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 برروی تمامی پارامترها فرایند تاثیر گذاراست.
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 است که مقاومت زیادی درمقابل 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 معمولا 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 تاخیر جرقه
زمان تاخیر جرقه از پارامترهای خروجی است که بسیاری از خصوصیات و رفتار پالس‌ها را تحت تاثیر 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 وبه سطح ولتاژ جرقه می‌رسد و درطول زمان جرقه به آرامی تنزل می‌کند تا اینکه جرقه قطع شود.
شدت جریان جرقه
کلیه پارامترهایی که درشکل و مقدار جرقه موثرند 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 تاپایان 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 معمولا 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 موثرند. به علاوه ناپایداری فرایند و ارتعاشات ابزار نیز در صافی سطح اثر دارند.
نتایج تجربی افزودن پودرهای رسانای فلزی
با افزایش جریان، مخصوصا 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 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.
درحالت استفاده از پودر، به دلیل افزایش گپ، براده‌ها به راحتی خارج شده و درنتیجه این روش پایداری بیشتری نسبت به حالت معمولی وبدون پودر دارد که این موضوع نقش موثرتری 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.