تاریخچه ماشینهای EDM
درسال 1768 جوزف پریستلی مشغول مطالعۀ طیف نورسفید با استفاده ازتخلِیۀ خازن بود ومشاهده کرد جرقه هایی که به وجود آمده ،آثاری بجای گذاشته است که با دست پاک نمیشود وآثاری شبیه به آثارذوب بود .این مسئله را درنامه ای که به یکی ازدوستانش نوشت ذکرکرد واین نامه درکتابخانه روسیه باقیماند .درسال 1934 برادران لازانکواین موضوع را می بینند .زمان پریستلی الکتریسیته های جاری هنوزاختراع نشده بود ولی اکنون موجود بود .این دوبرادربا مشاهدۀ این نامه سعی می کنند با استفاده ازالکتریسیته جاری ازسطح الکترود ذراتی را جداکنند وآثاری را به وجود آورد که با تلاشهای آنها درسال 1943 اولین ماشین EDM توسط مدار R.C تولید میشود .آن موقع زمان جنگ جهانی دوم وهمزمان با شدن موتورجت وموشکهای دوربردو…….بود این ماشین کاربرد زیادی پیدا کرد والبته آن زمان مباحثی مانند سیمی کانداکتو Semiconductor هنوزایجاد نشده بود .این ماشین بااستفاده ازامکانات ابتدایی مانندمقاومت وسلفها ودیزدهای خلاءساخته شد وعمروپاسخ فرکانسی کمی داشتند .ولی با پیشرفت علوم Electronic و Electro technique،این ماشین بهبود وگسترش یافت وطبعا توانائی های آن هم افزایش پیدا کرد .برای مثالSemiconductor ها وترانزیستورها دراواخر60 و IC ها integrate circuit)) ومایکرو پروسورها دراواخر دهۀ 70 ساخته شدند که به عنوان مثال هم اکنون درماشینهای EDM وبخصوص در CNC ها خیلی از کارهایشان توسط کامپیوترهدایت وکنترل می شودویا سیستم ایجاد پالسها منقطع به این شکل نیست که با یک اسیلاتورتولید شود بلکه ازهمان کریستال کواتزی که clock time های کامپیوتررا می سازند وSequence های کامپیوتررا تنظیم میکنند ،برای تولید این پالسها استفاده میشود.
قابلیت ها :
این روش به دلیل آنکه روش باربرداری با تخلیۀ الکتریکی وتنها پدیدۀ آن ذوب وتبخیر است،با خواص ترمودینامیکی وفیزیکی همانند،نقطه جوش،گرمای نهان ،تبخیر،گرمای ویژه درحالت ذوب جامد،ضریب انتقال حرارت درارتباط است.درصورتیکه درپروسه های سنتی برای ما(VTS)وyield stress ومدول الاستیسیته (E)، وکلا خواص مکانیکی مهم بودند اما دراینجا چون ازپدیده ها ونیروهای مکانیکی استفاده نمیشود پس خواص مکانیکی هم برای ما مهم نیستند .بنابراین :
1)امکان ماشینکاری مواد بسیارسخت با VTS و Y.P و……بالا راداریم.
قالب سازی ابتدا قطعه راتوسط روشهایی مانند آنیل کردن ،نرم می کنند .پس با روش های سنتی (غوز،تراش ،دربل و…)قالب را ایجاد کرده وبدلیل آنکه قالب با ید خواص مکانیکی بالایی داشته باشد آنرا دوباره سخت می کنند (توسط عملیات حرارتی)که طبعا دردماهای با لای عملیات حرارتی قطعه سرخ وحداقل به دلیل وزن خودش دچاراعوجاج و deformationوتغییرابعاد وتلرانس میشودولی اگرقطعه را ابتدا عملیات حرارتی کنیم وبعد با EDM قالب را ایجاد کنیم مشکل های قبلی را نخواهیم داشت .با این روش غیر از Tool Steel ها و Tungsten car bide ها میتوان تراشکاری وسایز نمود.
2)تولید هرشکل با هرپیچیدگی وهرزاویه شروعی نسبت به سطح قطعه کاروهرمسیری درداخل قطعه کار.
مثلا درروش سنتی درعملیات سوراخکاری میتوان تنها اشکال با مقاطع گرد را تولید کرد ولی دراینجا این محدودیت نیست بلکه میتوان هرمقطعی مانند مثلث وحتی غیرمنظم وغیرهندسی راتولید کرد .درروش سنتی اگرمته با قطعه کار زاویه داشته باشد ،مته سُرخواهد خورد وممکن است حتی مته بشکند ولیکن دراین روش این مسئله وجود نداشته که ازمته تحت هرزاویه ای امکان سوراخکاری نیست.درسوراخ میتواند حداقل قطعه درمسیرهای پیچیده ومشکل حرکت کرده وشکل دلخواه راایجاد نماید.
برای ایجاد فرم روی یک قطعه می توان ازابزارهای Pre form یا ابزارهای ساده استفاده کرد.مثلا برای ایجاد فرم های پیچیده وتودرتو می توان ازابزار ساده که می تواند یک جسم باشد ،توسط سیستم کنترل کامپیوتری (CNC) هدایت وشکل دلخواه ایجاد میشود .ویا حتی میتوان مثلا برای ایجاد سوراخ درقطعات مارپیچ قطعه راهم با سیستم کنترل هدایت کرد تا همچنانکه ابزار (مثلاسیم) به داخل قطعه Feed میشود ، قطعه هم حرکت کند وحرکت توام ایندو با عث ایجاد فرم دلخواه گردد.همچنین این امکان وجود دارد که قالبهای Pre form را اول توسط EDM با ابزار ساده تولید وسپس ازخود قالب برای تولید قطعات دیگر بهره جست
انجام فرآیند برروی قطعات ظریف
درروشهای سنتی یکی ازمشکلات تولید ،تولید قطعات ظریف است چرا که قطعه بایستی ابتدا توسط بگیراره ها(clamp) گرفته شود که با عث خراب شدن وکاسته شدن ظرافت قطعه میشود ولی دراینجا نیروی خیلی کمی برای نگه داشتن قطعه کارلازم میباشد ودرگاهی موارد اصلا احتیاجی به نگه دارنده نیست . مثلا دربیشترموارد میتوان توسط نگهدارنده های ساده ای همچون ،چسب قطره ای ویا ازclamp های ساده جهت نگه داشتن قطعه کاراستفاده کرد .
وقتی ماشینکاری با EDM انجام می شود .به دلیل ذوب قسمتی ازقطعه وبعد سریع سرد شدن آن یک ساختمان مارتنزیت حاصل میشود.چون وقتی چالۀ مذاب ایجاد میشود حدود 7% آن بخار شده و تقریبا 93% آن به صورت Recast layer و یا Reside defied layerباقی میماند .پس بازهم میتوان روی EDM کارکرد واین 93%را کاهش داد.یعنی اگرتنش درقسمتهای دیگرقطعه کارб باشد درنقطۀ ترک б 2 ویا حتیб 3 خواهد بود که بسته به شکل ترک ،زوایا وجنس قطعۀ کارخواهد بود.حال اگربه اعمال این نیروی دینامیکی ادامه دهیم تمرکزتنش هم که هست ،باعث کارسختی وآنهم باعث ترد شدن قطعۀ کارمیشودودرنهایت ترک گسترش پیدا کرده وقطعه خواهد شکست .
ب)چنانچه تنش فشاری به ترک وارد گردد ،یعنی درجهتی که لایه های بالای تیرتحت فشارولایه های پایین آن تحت کشش باشند ،ترک تحت یک تنش فشارقرارخواهدگرفت یعنی کوپل درجهت بسته شدن ترکهاست .
حالت الف )یک حالت مضربرای قطعه کارمامیباشد (تحت تاثیرنیروی کششی)اما با لت (ب)یک حالت مفید برای ماست .پس درقالب هایی که معمولا تحت فشارهستند (مانند پرسکاری ،اکستروژن ،فورجینک)نیروی فشارباعث می شود که میکروترکها بسته شوند ووجود مایکروترکها دراین حالت نمی تواند عامل ضعیف کننده باشد.
حال چنانه قطعه ای تحت فشارقرارگیرد .این فشاردرجهت خنثی کردن آن نیروی کششی سطح است .حتی آن نیروی فشاری که ممکن است درحدی نباشد که بتواند این تنش کششی پس ماند را کاملا خنثی کند،چه رسد به اینکه به منطقۀ فشاری دیاگرام ξ- б وارد شود ویا حتی اگرنیروی فشاری آنقدرزیاد باشد فقط تا یک مقداری درمحدودۀ فشاری دیاگرام ξ- б وارد میشود ولی به نقطۀ Y.P نمیرسد وقطعه کارسیلان نخواهد داشت.دیاگرام ξ- б برای یک قطعۀ فولادی بصورت زیرخواهد بود.
پس این امرمثبتی است که تنش کشش روی سطح باشد ،چرا که درحالت فشاری قطعه کاربه نقطۀ Y.P نخواهدرسید .درحالیکه اگراین تنش پس ماند ه بود (مثلا قالب توسط دستگاه ساخته شده بود) آنموقع وقتی در دیاگرام فوق مثلا درنقطۀ A قرارداشت،تحت فشارقرارمی گرفت ، نیروی فشاری با عث می شد که قطعه به Y.P رسیده وسیلان پیدامی کند .لذا به همین دلیل است که قالبی که باماشین اسپارک ساخته شده عمر آن خیلی بیشترازقالبهایی است که با ماشین فرز ساخته میشود .
6)امکان دریافت اطلاع ازفرایند به سادگی وبه شیوه های مختلف
بدلیل طبیعت الکتروترمال پروسه (electro thermal) امکان اطلاع رسانی درطول حتی یک میکروثانیه نیزوجود دارد.
الف)بوسیله تجزیه وتحلیل صدای جرقۀآن .توسط یک میکروفن صدای آن را دریافت وتوسط یک تجزیه کننده نوع جرقه واینکه جرقۀ ARC اتفاق می افتد ویا Sparkرا تشخیص داد.
ب)به وسیلۀ امواج الکترومغناطیسی که درهواتولید میشود .حتی بوسیلۀ یک رادیو درمحدودۀ فرکانس باند SW آن ودرحدود 100KH2 100MH2,میتوان پروسۀ EDM را مونیتورکرد.
وقتی که امواج الکترومغناطیسی تولید شده با لاتراز 1M H2 هستند وانقطاع درآنها وجودندارد معلوم است که :پروسه درست سیرکرده وجرقۀ Spark اتفاق می افتد ونیزمداربازواتصال کوتا ه اتفاق نمی افتد .درحالیکه اگرپالسهای زیر 1M H2 تولید شوند معلوم میگردد که :پروسه درست سیرنمی کند وپروسۀ ARC ای داریم و ماشین طوری هست که خودش مانند یک بی سیم عمل می کند.وشما می توانید با یک رادیویی که همراه دارید حتی درفاصلۀ زیاد هم این پارازیتها راگرفته وازوضعیت کارکرد ماشین اطلاع حاصل کنید .
ج)با استفاده ازجریانهای الکتریکی
یک اسیلوسکرپ بین الکترود وقطعه کاروصل کرده وپالسها را نگاه می کنیم واینها را به یک analyzer داده ویا حتی میتوان این پالسها را ضبط نمود وبا استفاده ازیک سیستم anal To digital condenser بگذارید تا درطول زمان جرقه ازپالس ولتاژ Sampleگیری کند ،سپس این ها را روی Hard disk یک کامپیوترضبط کرده وبعدا میتوان به یک analyzer بدهیم .پس دیده میشودکه این پروسه را خیلی راحت میتوان کنترل ودرجهتی که مطلوب ماست ،آن را سوق داد.درحالیکه درروشهای سنتی بدین سادگی نمیتوان اطلاعات لازم را دریافت نمود.(بطورمثال درجۀحرارت براده ونیزتیغۀ ابزاردرحین عملیات)
کاربردها :
عمده کاربرد EDM درابزارسازی وقالبسازی است .اما این بدان معنی نیست که از EDM
نتوان درتولید انبوه استفاده کرد.
ساختمان ماشین :
ماشین EDM علی الاصول ازچهارقسمت تشکیل شده است البته بعضی ازانواع EDM لوازم اضافی هم دارند.مثلا ماشین وایرکارت سیستم تغذیۀ سیستم دارد .اما بطورمشخص هر ماشین EDM ازچهارقسمت بصورت ذیل تشکیل شده است .
1) Power Supply System
2) Tool feed system (Gap control system)
3) Dielectric system
4) Machine Mechanical components
1)سیستم مولد قدرت ماشین(Power Supply System)
سیستمهای مولد قدرت درماشینهای EDM بسیارمتعدد بوده وشاید درحدود 16 یا 17 سیستم باشند ولیکن مادراینجا فقط سه سیستم را به صورت ذیل بررسی می کنیم .
الف)ژنراتورقدرت R.C
ب)ژنراتورقدرت آیزوفرکانس I so frequency
ج)ژنراتورقدرت آیزوبالس I so Pulse
پیشرفتهای اخیر
فرآیند EDM سالهاست که درحال توسعه وپیشرفت است آخرین پیشرفتهای اخیررا می توان بهبود درآثار سایشی الکترودهای گرانیتی که فولاد بری می کنند دانست که بهمراه منابع قدرت الکتریکی ژنراتورپالسی یا منابع قدرت ترانزیستوری واین اواخرمنابع قدرت لامپی بکارگمارده می شوند نیزبهبود یافته است.دراکثریت منابع تغذیه لامپی بهبود دروضعیت سایش به قیمت لطمه وارد آمدن به نسبت فلززدئی فرآیند حاصل گردیده .بکارگیری روشهای کم سایش باید برمبنای تجزیه وتحلیل های هزینه ای که مدت زمان ماشین کاری ونیزهزینه های مصرفی برای الکترود را در نظر می گیرند صورت گیرد . مخارج سیستم های تولیدیEDM تقریبا مخارجی است که وسایل وتجهیزات سنتی که قادربه انجام کارمشابه با عملیات EDM هستند دارامی باشند دراین تکنیک مصرف کننده ناظراین مزیت نیزخواهد بود که فضای کمتری ازواحد کارگاهی اش اشغال شده ونیازمندیهای نیروی انسانی نیزبه وجه قابل ملاحظه ای کاهش می یابد.
روشهای تولید مخصوص
مقدمه:بخش عمده صنعت تولیدی درجهان ،تولید محصولات مختلف ازفلزات است .این شاخه ازصنعت تحت عنوان فلزکاری شناخته میشود .محصولات فلزی موجود درجهان به یک یا ترکیبی ازچند روش تولیدی زیرساخته میشوند
1-ریخته گری: ریخته گری یکی ازمهمترین روشهای تولید قطعات فلزی است .ریخته درتولید بخش وسیعی ازقطعات ،ازقطعه کوچکی نظیرداندانه های زیپ،به وزن چند دهم گرم تاقطعات بسیاربزرگ به وزن چند تن به کارگرفته می شود .
ریخته گری مستقل ازانواع مختلف آن دارای تعریق کلی زیراست :ایجاد ماده مذاب،(عمدتا ازفلزات)وریختن آن درداخل قالبهای ازپیش طراحی وساخته شده .پس ازانجماد ماده مذاب درداخل قالب ،قطعه بشکل مورد نظربدست می آید.
بسیاری ازقطعات ریخته شده مستقیما می توانندمورد استفاده نهائی قرارگیرند .اما دراغلب اوقات قطعات ریخته شده نیازمند عملیات ماشینکاری وپایانی بعدی هستند تاتبدیل به قطعه نهائی وقابل استفاده می شوند.
فرم دهی فلزات:خاصیت پذیرش تغییرشکل پلاستیک (بدون رسیدن به نقطه شکست )درفلزات اصل،اولیه درتولید قطعات فلزی به روش فرم دهی است. فرم دهی فلزات دردوحالت سرد یا گرم انجام می گیرد .کلیه عملیات پرسکاری،آهنگری،نورد،اکستروژن وامثال آنها دراین گروه قراردارند .قطعه فرم داده شده نیزهمانند قطعات ریخته شده ،برخی مستقیما وبرخی پس ازانجام عملیات بعدی(ماشینکاری ،جوشکاری)بصورت قطعه نهائی وقابل مصرف درمی آید.
3- براده برداری:براده برداری(ماشینکاری)بطورکلی عبارتست ازجداسازی درست براده ،ازروی قطعه کارتوسط ابزاربرنده مناسب بطریقی که قطعه نهائی بشکل،اندازه وکیفیت سطح مناسب ومورد نظربدست آید.
ماشینکاری ازنظراصولی یک پروسه تولیدی کم راندمان است .اما درحال حاضروحتی تا آینده قابل پیش بینی مهمترین ،گسترده ترین وپرکاربردترین روش تولید می باشد .
4-اتصال فلزات :چهارمین وآخرین روش تولید مصنوعات فلزی اتصال قطعات به یکدیگربه طرق مختلف وتولید محصولی پیچیده تروکاملتراست.نظیر:پیچ ومهره ،پرچکاری،انواع روشهای جوشکاری ،لحیم کاری و……
پرکاربرد ترین طریقه اتصال فلزات به یکدیگرجوشکاری است.درتعریف کلی ،جوشکاری عبارتست ازاتصال دائمی ویا چند قطعه به یکدیگربا استفاده ازحرارت واعمال فشارعلاوه برروشهای تولیدی فوق جهت بهبود کیفیت مصنوعات فلزی ویا ایجاد خصوصیات ویژه درآنها ازپروسه هایی نظیررنگ ،آبکاری،عملیات حرارتی و….نیزاستفاده میشود که ازنظراهمیت اقتصادی (ارزش افزوده ایجاد شده )وحجم سرمایه گذاری درروشهای اصلی تولید قطعات فلزی قابل صرفنظربود ه وهمواره جنبه عملیات تکمیلی دارند .
دردرس “روشهای تولید مخصوص”برخی ازتکنیکهای براده برداری فلزات (ماشینکاری وهمچنین تعدادی ازتکنیکهای جوشکاری که دارای کاربردهای مخصوص ومحدودی هستند بحث میشود .هدف ازبحث نیزایجاد آشنایی کافی درحد شناخت پروسه ،شناخت تجهیزات وامکانات مربوطه ،شرایط حاکم برآن ،کاربرداصلی وهمچنین درک خصوصیات ومحدودیتهای هریک می باشد.علاوه برتکنیکهای ماشینکاری وجوشکاری مخصوص،دراین درس روشهای اتوماسیون جدید که درسالهای اخیرمتکاملترشده ودراغلب کارخانجات مدرن به نحوی راه پیدا کرده اند معرفی شده ،مختصرا بحث میشوند.
ماشینکاری با جرقه های الکتریکی (اسپارک)
Electrical Discharge Machining (EDM)
ماشینکاری با جرقه های الکتریکی (اسپارک) یکی ازروشهای براده برداری جهت ایجاد سوراخ ،شیار،حفره وامثالهم درمواد های جهان الکتریکی (عمدتا)فلزات می باشد .دراین روش براده برداری ازقطعه کار با ایجاد جرقه های الکتریکی متعدد (درزمان کوتاه )بین ابزاروقطعه کارکه باعث تبخیر ویا ذوب تدریجی قطعه کارمیشود انجام می گیرد.
بخشهای اصلی وتشریح ماشینکاری اسپارک :
دراسپارک قطعه کاربه کمک یک فیکسچرمناسب روی میزدستگاه نصب میشود.میزدستگاه شبیه میزماشینهای براده برداری (نظیرماشین فرز)بوده ودارای شیارهای مناسب جهت بستن قطعه کار،گیره یا فیکسچرمی باشد.مجموعه میز،فیکسچر وقطعه کارکه داخل جعبه آب بندی شده ای قراردارند ،کلابه قطب مثبت یک جریان برق مستقیم(DC) متصل می گردند .ابزارکار(الکترود)بالای سرقطعه کارقرارداشته به قطب منفی وصل می گردد.
قطعه کاربا فیکسچرمربوطه درداخل یک محلول غیرهادی (Dielectric) غوطه ور است.بخشهایی ازابزار(الکترود)نیزدرداخل این محلول قراردارد.
با نزدیک نمودن الکترود به قطعه کاربه حدی که فاصله بین الکترود وقطعه کاربه مقدارمناسب (حدود01/0 تا 5 /0 میلی متر)برسد ،محلول غیرهادی تحت تاثیر اختلاف پتانسیل الکتریکی نسبتا بزرگ موجود یونیزه شده واجازه تخلیه الکتریکی مابین الکترود وقطعه کاررا میدهد.با تشکیل جرقه ،حرارت بسیارزیادی به صورت موضعی روی سطح کاربوجود می آید .تعداد جرقه هایی که درهرثانیه می تواند بوجودآید مابین 180 تا 260000 (برحسب تنظیم دستگاه)تغیرمیکند.بواسطه هرتخلیه الکتریکی بین الکترود وقطعه کار،بخشهای کوچکی ازقطعه کارتبخیریا ذوب شده وبا جریان گردش دائمی محلول غیرهادی،ازفاصله بین الکترود وقطعه کارروفته می شود.(بخشهای کوچکتری ازالکترود نیزدراین مرحله ذوب شده وازبین میرود که درمقایسه با قطعه کارناچیزاست.)توسط یک مکانیزم اتوماتیک فاصله الکترود وقطعه کارپس ازجرقه تصحیح شده وسریعا جرقه های بعدی بوجودمی آیند(جهت روفتن کامل فضای بین الکترود وقطعه کار،پس ازهرچند ثانیه جرقه زنی،با تنظیم دستگاه،الکترود چند میلی مترازقطعه کاردورشده وپس ازگذشت زمان معینی مجددا به روی کاربرگردانده میشود .)نرخ براده برداری دراسپارک کاری بامقدارفلز برداشته شده به ازاهرجرقه وفرکانس جرقه ها (تعداد جرقه ها درثانیه)متناسب است.زبری سطح ماشین شده نیزازطرف دیگربا میزان فلز برداشته شده به ازاهرجرقه مرتبط می باشد .دراغلب حالتها جدول زیرجهت اسپارک کاری صادق است:
نوع عملیات شدت جریان زمان جرقه زنی تعدادجرقه ها درثانیه (فرکانس جرقه )
-خشن کاری زیاد طولانی کم
-پرداخت کاری کم کوتا ه زیاد
جریان الکتریکی بکارگرفته شده (برحسب نوع دستگاه وتوانائی سیستم برقی آن )دارای شدت جریان 5 /0 تا 400 آمپرواختلاف پتانسیل DC به میزان 40 تا 400 ولت می باشد
محلول غیرهادی ازنوع مواد نفتی (هیدروکربن) با ویسکوزیته حدود 20 (SUS) می باشد درغیاب مواد مناسب ازموادی نظیرنفت سفید ، آب مقطرو محلول های غیرهادی دیگر می توان استفاده کرد .
محلول غیرهادی دربعضی ازدستگاهها ازطریق مجرای تعبیه شده درداخل الکترود ،دربعضی ازطریق فواره ها ونازل های مخصوص ودربرخی ازماشینها ازهردوطریقه به داخل جعبه حاوی قطعه کارپمپ می شود .نقش این محلول بعنوان واسطه جهت عبورجرقه ،خنک کننده وهمچنین جهت شستن محل،ماشینکاری ازذرات براده (فلزذوب شده)می باشد. محلول غیرهادی بطورپیوسته ازداخل فیلترهای مخصوص(ازجنس الیاف های بافته شده پنبه ای،یا خاک مخصوص)عبورداده می شود تاذرات معلق داخل آن وبخصوص براده فلزازآن جدا شود.دربرخی ازدستگاهها ذرات معلق فلزی توسط فیلترهای سانتریفوژ(گزیزازمرکز)ازمحلول جدا میشوند .
کاربرد ماشین اسپارک:به کارگیری ماشین اسپاک به عوامل مختلف بستگی دارد .جنس کار،شکل نهائی قطعه ،دقتهای موردنظرومقداربرده برداری ازفاکتورهای با اهمیت هستند .
معمولا درموارد زیر به کارگیری ماشین اسپاک به استفاده ازروشهای سنتی رجحان دارد :
-ماشینکاری قطعه کارازفلزات با سختی ومقاومت کششی بزرگ وقابلیت ماشینکاری کم (Low Machineablity)
- ماشینکاری قطعه کاربه اشکال پیچیده ونامنظم ،ماشینکاری اشکال شکننده ،ماشینکاری سوراخهای کوچک وطویل ،ماشینکاری شیارهایی به اشکال نامنظم ،ماشینکاری تعداد زیادی شیاروسوراخ روی یک قطعه کار.
- نیازبه ماشینکاری قطعه کاریکه نباید هیچگونه پلیسه داشته باشد .
بیشترین کاربرد ماشینهای اسپارک درقالبسازی است.بخصوص جهت ساخت قالبهای ریخته گری وآهنگری ،ماشینکاری سوراخ وشیارهای بسیارکوچک (تا 025/0 میلی متر)به راحتی با ماشین اسپارک امکانپذیراست.ازآنجا که مکانیزم براده برداری درماشین اسپارک ،تبخیرقطعه کاری بواسطه حرارت بسیارزیاد است،ماشین کاری قطعات سختکاری شده یا ماشینکاری قطعات ساخته شده ازتنگستن کاربید نیزبه راحتی مقدور وممکن است.ایجاد سوراخهای طویل(نسبت عمق به قطرحدود 20 یا بیشتر) با ماشین اسپارک وبا دقت کافی وبه راحتی انجام پذیراست .
دستیابی به دقتهای 05/0 ± میلی متردراسپارک کاری کاملا مقدوراست.حتی درموارد استثنایی وبا دقت زیاد تلرانسهای حدود 003/0 ± میلی مترنیزبدست آمده است.کیفیت سطح قطعه کارنیز درشرایط ویژه ودرپرداخت کاری تا 2/0 میکرون قابل دستیابی است.اما درشرایط معمولی پرداخت سطح قطعه کارحدود 5/2 میکرون یا بیشترخواهد بود .میزان براده برداری دراسپارک کاری بین 15/0 تا 470 سانتی مترمکعب برساعت می باشد .
الکترود (ابزار)راندمان،هزینه وکارآیی ماشین اسپارک بمقدارزیاد متاثرازجنس ونحوه تولید ابزارکار(الکترود)است.به همین دلیل بطورپیوسته تحقیقات مفصلی دررابطه با جنس الکترود وبکارگیری مواد جدید بعمل آمده است.فرسودگی الکترود بطورمستقیم با درجه حرارت ذوب آن رابطه دارد .گرافیت با نقطه ذوب 3500 درجه سانتیگراد (بیشترین درجه ذوب درمواد شناخته شده)،قیمت مناسب وسهولت ماشینکاری ،پرکاربردترین ماده جهت ساخت الکترود می باشد .تنگستن ومولیبدن ازنظردرجه حرارت ذوب پشت سرگرافیت قراردارند اما هردوی این عناصردارای قیمت بالابوده وبسختی ماشینکاری میشوند ولذا بسیارکمترازگرافیت بکارگرفته میشوند .آلیاژهای مختلف مس وروی ،انواع برنج آلومینیوم وفولاد جهت ساخت الکترودهای مختلف کاربرد دارند .درصفحات بعد موادیکه جهت ساخت الکترود متداول هستند وامتیازات ونقاط ضعف هریک ارائه شده است.
ساخت الکترود معمولا با ریخته گری وماشینکاری (روشهای سنتی)انجام می گیرد.دربعضی موارد پرسکاری وروشهای تولیدی دیگرنیزبرای ساخت الکترود استفاده میشود .ابعاد الکترود حساسیت خاصی داشته وتلرانسهای مربوطه باید بدقت رعایت شوند .این نکته درساخت الکترود های پرداخت کاری اهمیت بیشتری می یابد.
الکترودهای ماشینکاری شده را معمولا ازمس،برنج،آلیاژهای مس/تنگستن یا نقره /تنگستن وگرافیت میسازند .همانطورکه عنوان شد گرافیت پرمصرفترین ماده جهت ساخت الکتروداست جهت ساخت الکترود گرافیکی ازروشهای ماشینکاری وسنگزنی معمولی استفاده شده ونهایتا با کاردستی ،پرداخت نهائی میشود.بزرگترین مشکل ساخت الکترودگرافیکی ذرات ریزگرافیک ایجاد شده درموقع ماشینکاری این ماده است.جهت رفع این اشکال گرافیت را قبلا درنفت می خیسانند.
الکترودهای ریختگری را معمولا ازآلیاژهای مس،آلیاژهای روی ویا آلومینیوم وبه روش دایکاست تولید می نمایند.این الکترودها قابل ذوب واستفاده مجدد نیزمی باشند.دربعضی ازموارد جهت براده برداری موضعی روی الکترودهای فلزی ازاسید شوئی Etching) ) استفاده می شود.اسید شوئی می تواند موضعی یا در مواردی کلی باشد، که دراین حالت با غوطه ورسازی الکترود درمحلولهای مناسب انجام می گیرد
فرسایش درالکترود برحسب فرسایش انتهایی ،فرسایش سطوح جانبی وفرسایش گوشه ها مطرح می باشد.معمولا فرسایش درگوشه ها ماکزیمم بوده وتا دوبرابرفرسایش انتهایی می باشد .
هرگاه دقت ابعاد الکترود خیلی مهم باشد ،میزان فرسایش گوشه ها ،کنترل کننده انتخاب نوع ماده مناسب جهت الکترود وتعداد الکترودها می باشد .معمولا فرسایش کلی الکترود توسط فاکتوری بنام ضریب فرسایش (Wear Ratio) سنجیده می شود .ضریب فرسایش با تقسیم حجم ماده برداشته شده ازقطعه کاربه حجم ماده تلف شده ازالکترودمحاسبه می شود.
تاثیراسپارک کاری درسختی قطعه کار:درجه حرارت بسیارزیاد ایجاد شده دراسپارک کاری که سبب ذوب وتبخیرسطح قطعه کارمیشود برروی سختی آن تاثیرمی گذارد .ضخامت لایه متاثرازاسپارک کاری حدود 0025/0 تا 1/0 میلی مترمی باشد .خارجی ترین لایه سطح قطعه کاربواسطه سرد شدن سریع (پس ازذوب)دارای سختی سطحی بالایی میگردد.درصورت استفاده ازفولاد سختکاری شده بعنوان قطعه کار،ضخامت لایه سخت شده سطحی بین 025/0 تا 01/0 میلی متربوده وسختی آن حداقل HRC 60 می باشد.لایه زیربخش سخت شده معمولا حالت تمپر(نرم شده )بخود می گیرد.ضخامت این لایه بین 05/0 تا 1/0 میلی متر بوده وسختی آن بین 2 تا 5 رتبه (برحسب HRC )ازسختی اصلی قطعه کارکمتراست.درصورت نامطلوب بودن خصوصیات لایه متاثرازاسپارک کاری می بایست باروشهای سنتی این لایه ازروی سطح نهائی قطعه کاربرداشته شود.
سنگ زنی با جرقه های الکتریکی (سنگ اسپارک)
تعریف:اصول حاکم برسنگ زنی اسپارک دقیقا همان اصول حاکم براسپارک معمولی است،با این تفاوت که الکترود مصرفی درسنگزنی اسپارک یک دیسک دوارگرافیتی بوده وبراده برداری مانند اسپارک ،بواسطه ایجاد جرقه الکتریکی مابین الکترود دیسکی شکل دواروقطعه کاروذوب /تبخیر قطعه کار،انجام می گیرد.
بخشهای اصلی وتشریح سنگزنی اسپارک
مشابه دستگاه اسپارک ،قطعه کاربکمک یک فیکسچر مناسب روی میزکار دستگاه نصب میشود.فیکسچروقطعه کاردرداخل جعبه آب بند ی شده ای قرارمیگیرند وکلا به قطب مثبت ویک جریان مستقیم متصل هستند .الکترود مصرفی درسنگزنی اسپارک یک دیسک گرافیتی می باشد.دیسک مورد نظرتوسط شیافت مناسب به یک موتورالکتریکی متصل است وتوسط آن دردورهای مختلف بگردش درمی آید .تنظیم فاصله مابین قطعه کاروالکترود دیسکی شکل که به یک سیستم خودکار کلید میزمتصل بوده وسبب بالا یا پایین رفتن آن می شود انجام می گیرد .همانند دستگاه اسپارک قطعه کاروبخشهای زیادی ازالکترود درمحلول غیرهادی (Dielectric)غوطه ورهستند .بانزدیک ساختن قطعه کاربه الکترود جرقه های الکتریکی مابین آنها به وجود می آید که سبب ذوب وتبخیرشدن سطح قطعه کارمی گردد.
محلول غیرهادی بواسطه سرعت دوران الکترود دیسکی شکل دارای حرکت دائمی بودوخود به خود ذرات براده جدا شده ازقطعه کاررا ازفاصله بین الکترود وقطعه کاردورمیسازد .سیستم برقی بکارگرفته شده درسنگ اسپارک همانند اسپارک معمولی بوده ،ولی معمولا ازآمپراژکمتری استفاده میشود.
درسنگ اسپارک سرعت محیطی (سرعت برش)دیسک گرافیتی مابین 30 تا 180 متربردقیقه است ودروضعیت ماشینکاری (توسط مکانیزم اتوماتیک کنترل وضعیت میز)بفاصله 01/0 تا 08/0 میلی مترازقطعه کار نگهداری میشود.
سیستم برقی دراغلب دستگاهها 30 تا 300 ولت اختلاف پتانسیل و10 تا 100 آمپرشدت جریان ایجاد می نماید .اما ولتاژکاری نرمال مابین 40 تا 80 ولت وشدت جریان مطلوب حدود 15 آمپراست.
همانند سنگزنی معمولی ،بعد ازمدتی کارکرد ،دیسک گرافیتی باید پرداخته Dressing) ( شود.ابزاربرش در محل مناسبی روی میزکارنصب شده است ومیزدرزمان تعیین شده (با فرمان گیری ازسیستم خودکار) قطعه خودکاررا ازدیسک جدا نموده وابزار برش را به دیسک نزدیک می نمایند.دروضعیت پرداخت دیسک سرعت محیطی آن را معمولا به حدود 450 متربردقیقه میرسانند.
همانند اسپارک معموی ،بکارگیری شدت جریان بالا سرعت براده برداری را بالا می برد اما سبب زبری سطح ماشین شده می گردد.هرچه شدت جریان،پایین نگه داشته شود (بخصوص درماشینکاری تنگستن کاربید)سطح نهائی پرداخت شده ترخواهد بود.بابالا بودن فرکانس وازدیاد جرقه ها نیز،کیفیت سطح بهبود می یابد .دراسپارک معمولی دستیابی به زبری سطح بهتراز 5/0 تا 1 میکرون با الکترود گرافیتی مقدورنیست،اما درسنگزنی اسپارک به واسطه تاثیرحرکت دورانی دیسک دستیابی به کیفیت پرداخت به سطح تا 25/0 میکرون نیزانجام پذیراست.
کاربردسنگ اسپارک:سنگ اسپارک جهت تولید قطعات بسیاردقیق وتلرانسهای کوچک است.یکی ازکاربردهای اصلی آن ساخت ابزارفرم می باشد.تلرانسهای 005/0 ± میلی مترکاملا معمولی بوده وتا تلرانسهای 001/0 ± میلی متر نیزدرشرایط خاص قابل دسترسی است.علاوه برساخت ابزارفرم (بخصوص ازتنگستن کاربید)ازسنگ اسپارک جهت ساخت غلطکهای مخصوص وایجاد اشکال پیچیده روی فولاد های سخت شده وکاربیدها استفاده میشود .چدن را معمولا توسط این فرآیند ماشینکاری نمی کنند .دلیل اصلی ،دستیابی به کیفیت سطح مناسب توسط دستگاههای سنگ معمولی وجود ناخالصی های غیرهادی درچدن که سبب صدمه زدن به دیسک گرافیتی میگردند می باشد.سنگزنی اسپارک فرآیند بسیارکندی است .نرخ براده برداری دراین فرآیند مابین 0/2 تا 2/5 سانتی مترمکعب درساعت است.درصورت براده برداری سریعتر کیفیت سطح تا حد غیرقابل قبولی نزول می نماید .جدول زیرشرایط سطح بدست آمده درماشینکاری تنگستن کاربید رانشان می دهد
زبری سطح(mμ ( نرخ براده برداری(Cm3/hr)
3 5/2
1 25/1
4/0 2/0
فرسایش الکترود:فرسایش دیسک گرافیتی درسنگزنی اسپارک بستگی به شدت جریان ،جنس قطعه کاروشرایط کاری دارد.بصورت میانگین میزان ضریب فرسایش ،حجمی برابر3:1 می باشد .میزان فرسایش حجمی دیسک به هرحال درمحیط آن تقسیم میشود واگرضریب فرسایش خطی،حاصل تقسیم عمق برش روی قطعه کار،به عمق فرسایش روی دیسک برای دیسک به قطر200 میلی مترمحاسبه شود بصورت میانگین عدد 75:1 وبرای یک دیسک بقطر300 میلی متر عدد 110:1 بدست خواهد آمد. درماشینکاری اشکال پیچیده عمده فرسایش دیسک درقسمتهای تیز وگوشه ها می باشد .به همین سبب تعداد دفعات لزوم به پرداخت دیسک دراین موارد بیشترازماشینکاری اشکال ساده ویکنواخت است.
پرداخت دیسک گرافیتی درسنگزنی اسپارک بمراتب ارزانتروسریعترازپرداخت سنگهای معمولی (که توسط الماس پرداخت میشوند)بوده وابزارمورد نیاز نیزازجنس فولاد آلیاژی ساده می تواند باشد .
تاثیرسنگزنی درسطح قطعه کار:همانند اسپارک معمولی ،بواسطه حرارت زیاد ایجاد شده روی سطح قطعه کار ،درسنگزنی اسپارک نیز سختی لایه کوچکی ازسطح کارتغییرمی کند .ضخامت این لایه درسنگزنی اسپارک حدود 0025/0 تا 04/0 میلی متراست.همانطورکه عنوان شده است کاربرد اصلی سنگزنی اسپارک درساخت ابزارفرم می باشد .دراغلب موارد لایه خارجی سطح قطعه کارکه تغییرسختی داده است درکاربرد ابزارفرم تاثیرمهمی نمی گذارد.
اما درصورت حساسیت کاراین لایه باید توسط روشهای براده برداری دیگرازسطح قطعه کارجدا شود.
ماخذ:
(Volume 3 Machining)Metals Hand Book
مفاهیم واصول فرایند اسپارک(EDM)
اسپارک EDM به عنوان روش سنتی ماشینکاری به روش تخلیه ی الکتریکی می باشد که به نامهای ,Plunge EDM Vertical EDM , Die Sinker , Sinker EDM نیز شناخته می شود. کاربرد متداول اسپارک درایجاد حفره های غیرراه بدرمی باشد .شکل 9-1 چندنمونه ازدستگاههای اسپارک را نشان می دهد
شکل 1) چندنمونه ازدستگاه های اسپارک
درایجاد اشکال و حفره های غیر راه بدر الکترودی شبیه به قطعه مورد نظرماشینکاری می شود وسپس به وسیله جریان الکتریکی وسیال که بین الکترود وقطعه کاررا فرا گرفته قعطه ی مورد نظرساخته می شود .شکل 2 نمونه ای ازاین قطعات را نشان می دهد .
شکل 2)
تاریخچه اسپارک EDM
درسال 1889 Benjamin Chew توانست امتیازاختراعی با عنوان برش فلزات با الکتریسیته را دریافت کند .دستگاه های اولیه درجنکهای جهانی اول ودوم درایجاد قطعات نظامی مورد استفاده قرارگرفت اما کار با این دستگاه های اولیه بسیارمشکل بود .بعد ازآن دوروسی به نامهای لازانکودوکارعمده را درجهت بهبود این فرایند انجام دادند که یکی ایجاد مدار RC تخلیه که پالسهای کنترلی راایجاد می کرد ودیگری ایجاد یک سروومکانیزم برای حفظ کردن فاصله ی هوایی Gap) ( بین الکترود وقطعه کاربود .با فعالیت این دوروسی اسپارک EDM نسبت به گذشته پیشرفت زیادی کردوماشینکاری با آن قابل اطمینان تربود .اما این دستگاه مشکلات خاص خود را ازجمله تحمل عبور جریان کم وکند بودن زمان ON وOFF دستگاه را داشت .اما این مشکلات باقراردادن ترانزیستوربه مرورازبین رفتند .با این پیشرفتها قطعات تولیدی به این روش نیزدارای کیفیت بهتری شدند.این پیشرفتها به تدریج ادامه یافت تا اینکه امروزه دستگاه های مجهزاسپارک مجهزبه سروومکانیزم ،کنترل CNC ،تعویض ابزار(الکترود)به صورت اتوماتیک (شکل 9-3) وقابلیت 6 محور ماشینکاری به طورهم زمان و…. هستند .درواقع اسپارک درکناروایرکات توانست انقلابی درماشینکاری ایجاد کند .
شکل 3) تعویض ابزار(الکترود)به صورت اتوماتیک
چگونگی عملکرد کلی دستگاه
همانطورکه قبلا اشاره شد اسپارک درواقع ازجرقه درجهت براده برداری ازقطعه کاراستفاده می کند .به این صورت که یک منبع پالسهای الکتریکی راتولید می کند که این پالسها بین الکترود وقطعه کارایجادمی شود .یک فاصله ی هوایی بین قطعه کاروالکترود قرارداده می شود که ازسیال دی الکتریک پرمی شود .هنگامی که ولتاژاعمالی به حدی رسید دی الکتریک یونیزه شده ویک جرقه ی کنترل شده قطعه کاررا ذوب وبخارمی کند .همانطورکه مشاهده می شود مکانیزم کلی کاربا اسپارک نیزشبیه وایرکارت می باشد اما همانطورکه گفته شد موارد کاربرد آنها درتولید قطعات متفاوت می باشد .ازدیگرتفاوتهای این دودستگاه این است که اسپارک جرقه را درطول سطح الکترود که به شکل دلخواه ماشینکاری شده ایجاد می کند . شکل 4
شکل 4
بعد ازجرقه دی الکتریک با فشاربه الکترود وقطعه کاربرخورد کرده وبراده های برداشته شده را ازبین الکترود وقطعه کارشسته وفاصله هوایی بین آنها راحفظ می کند .این سیال به مخزن بازمی گردد ودوباره پس ازخنک شدن وفیلترشدن آماده ی کارمی شود .یک سروو مکانیزم نیزفاصله بین الکترود وقطعه کاررا حفظ می کند تا این دوبا یکدیگرتماس پیدانکنند که اگر این اتفاق رخ دهد مدار اتصال کوتاه شده وهیچ براده برداری انجام نخواهد شد.
اجزای اصلی دستگاه اسپارک
اجزای اصلی دستگاه درشکل 5 نشان داده شده است.
شکل 5
1-سروومکانیزم 2-کلگی دستگاه 3- الکترود 4- قطعه کار 5- سیال دی الکتریک 6-فیلتر7-پمپ 8- مخزن دی الکتریک 9- منبع تغذیه
عملکرد مرحله به مرحله ی دستگاه اسپارک EDM
منبع تولید جریان ،جریان را به الکترود وقطعه کارمی دهد .
(مثبت یا منفی بودن بستگی به شرایط برش وماشینکاری دارد)فاصله ی هوایی بین الکترود وقطعه کاربا سیال دی الکتریک پرشده است که به عنوان عایق عمل می کند شکل 9-6
شکل 6
هنگامی که ولتاژبه حدی رسید دی الکتریک یونیزه شده ویک قوس پلاسما ایجاد می شود که دمای آن به 14500 تا 2200 فارنهایت یا 8000 تا 1200 سیلوس می رسد شکل 7
شکل 7
دراثراین گرما براده ها ازسطح قطعه کاربه صورت مذاب یابخارجدا می شوند .این بخش را ONTIME دستگاه می نامند .سپس دی الکتریک وظیفه ی خنک کاری قطعه کاررا برعهده دارد وسیالی که با فشار ازنازلها خارج می شود براده ها باقی مانده بین الکترود وقطعه کاررا شسته وفاصله ی هوایی را حفظ می کند شکل 8
شکل8
درماشینکاری توسط دستگاه اسپارک چهارعامل اصلی وجود دارد که عبارتند از:
1-قطب کاریا (Polarity)
2-شدت جریان یا Intensity ))
3-زمان دوام جرقه یا (On Time)
4-شستشو یا (Flushing)
پارامترهای فرعی که باید مورد توجه قراربگیرند عبارتند از:
1- (Off Time)
2- (Gap)
3- (Sensivity)
4-( Voltage)
که هریک ازموارد بالا درفصلهای آینده توضیح داده خواهند شد.
منابع :
اصول ماشین کاری به روش اسپارک
علی قاسمی –دامون نادری
انتشارات نشرطراح
2-روش های نوین تولید
مهندس امین پورصفر
انتشارات دانشگاه
3-فرایندهای تولید (روشهای تولید مخصوص)
نعمت الله صفاهانی