افزايش گسترده نياز به فلزات سخت ، با استحكام زياد و مقاوم در مقابل گرما در مهندسي به نيازهاي خاصي در زمينه تكنولوژي و تكنيكهاي ماشين كاري انجاميد. بنابراين بسياري از روشها در فرايندهاي ماشين كاري پيشرفت كرد . ماشين كاري با صوت ،ماشين كاري اشعه الكتروني، ماشين كاري پلاسما وماشين كاري ليزري مثالهايي از اين فرايندهاي ماشين كاري هستند. يكي ديگر از اين فرايندهاي مدرن لايه برداري شيميائي است كه براي مخلوطي از تجمعي از فلزات نرم و آلياژهاي آلومينيوم بوده و براي صنعت هواپيمايي بكار گرفته ميشود.
ماشينهاي تخليه الکتريکي (EDM) بصورت فرايندهاي پرداخت فلزات رسانا ، توسط جرقه هاي الکتريکي مشخص مي شوند. در ابتدا براي از بين بردن براده هاي مته کاري، و همچنين سوراخ کردن ابزارهاي ظريف و گرانبها بکار گرفته شد. امروزه EDM براي ساخت حفره ها و قالبهاي هندسي و غير هندسي بسيار پيچيده بکار مي رود. مفهوم ماشين كاري الكتريكي ممكن است به يك گروهي از فرايندها كه جريان الكتريكي را براي برداشتن فلزات بكار ميگيرند اطلاق شود.
در فرايند ماشين كاري الكتريكي بر خلاف ماشين كاري مكانيكي فلز ابزار مي تواند از فلز قطعه كار نرمتر باشد و براده برداري نيز هيچ ارتباطي به سختي مكانيكي قطعه كار ندارد. هر چند که فلزات سخت کمي سخت تر از فلزات نرم براده برداري مي شوند.
فرايندهاي ماشين كاري الكتريكي به دو دسته تقسيم مي شوند. اولين آنها ماشينهاي تخليه الكتريكي هستند. در اينجا اثر خوردگي از يك توالي سريع از پالسهاي الكتريكي در از بين بردن فلز از روي قطعه كار بكار گرفته ميشود. فرايند دوم ، فرايندهاي الكتروشيميايي و فرسايش با الكتروليت هستند. فرايند ماشين كاري تخليه الكتريكي يا بعبارت ديگر ماشين كاري اسپارک بر روي اثر خوردگي جرقه الكتريكي بر روي هر دو الكترود پايه گذاري شده است.
ياد داشتن اين نكته كه اگر هر دوي قطعه كار و الكترود هم از يك جنس باشند، بيشترين سائيدگي در قطعه أي بوجود مي آيد كه روي الكترود منفی بسته شده باشد ، الزامي است. بنابراين براي بدست آوردن خوردگي ماكزيمم از قطعه كار ، در حاليكه الكترودمان سايش بسيار كمي داشته باشد، بايد قطعه كار را به پايه منفی و الكترود يا ابزار را به پايه مثبت وصل كنيم.
فرايند براده برداري توسط جرقه
قطعه كار در حمامي از دي الكتريك غرق ميشود. و اين دي الكتريك پنج سانتيمتر بالاتر از سطح قطعه كار را مي پوشاند ، اينكار از آتش گرفتن دي الكتريك در اثر جرقه ها جلوگيري ميكند.
الكترود و قطعه كار به دو سر يک منبع ولتاژ DC با ولتاژي بالاتر از 50 ، 60 ولت وصل شده اند. دي الكتريك در چرخه اي توسط پمپ مي چرخد . فاصله هوايي براي جرقه زني در حدود 25 تا 100 ميكرومتر توسط سروموتور ثابت نگه داشته ميشود. زمانيكه منبع تغذيه روشن شد ، پس از انتخاب مقادير جريانها ، ولتاژها ،فاصله مجاز gap[1] ،زمانهاي [2]ontime ، off time[3] ، زمانهاي شستشو و … با استفاده از وروديهاي مختلف (مكانيكي با سلکتورها يا بصورت عددي و با استفاده از يك سيستم ميكروپروسسوري )، ولتاژ به دو سر الكترود اعمال ميشود ، با اعمال ولتاژ در فاصله معيني از gap جرقه توليد ميشود ،سيال يونيزه شده و تخليه الكتريكي صورت ميگيرد ، بعلت حركت سيال زير محل فعال ، سيال غير يونيزه اي خواهيم داشت بنابراين باز سيال جداساز خوبي خواهد بود و سيكل ادامه مي يابد …
سيال انتخاب شده بايد تا زمان وقوع شكست الكتريكي بعدي ، نارسانا باقي بماند . زمانيكه به ولتاژ دلخواه رسيديم سيال بايد سريع بشكند (شكست الكتريكي ) و پس از عمل تخليه در زمان خاموشي پالس ( off time ) باز سريع غير يونيزه شده به حالت اول برگردد.
در اين روش توالي تندي از جرقه ها بدست مي آيد ( بين 500 تا 50000 جرقه در ثانيه) ، هر جرقه أي ، دماي محلّي نقطه جرقه ديده را به حرارت بسيار بالائي در حدود7000 تا C ْ 12000 مي رساند اين جرقه حرارت بالا باعث ذوب اين نقطه از مكان جرقه ديده شده و ناحيه مذاب بسيار كوچكي را روي سطح قطعه كار بوجود مي آورد، در زمان Offtime دی الکتريک سرد به روی اين نقطه با حرارت بسار بالا می رسد و اختلاف دمای چند هزار درجه ای موجب انفجار نقطه ذوب شده می شود ، بديهي است که اغلب جرقه بين نقاطي از قطعه كار و الكترود كه به هم نزديک هستند اتفاق مي افتد و نقطه هاي داغي از قطعه كار خورده شده و از سطح قطعه كار كنده ميشوند اين خوردگيها توسط دي الكتريك از محل دور ميشوند . همچنين كه قطعه کار خورده ميشود الكترود توسط موتور سِروُيِ كنترل شده اي نزديك ميشود.كنترل موتور سِروُ براي فاصله هوائي مناسب وقابل تنظيم توسط نمونه برداري ازولتاژ بين قطعه كار و الكترود انجام خواهد گرفت.
فرايند تخليه پالسي :
الکترود به قطعه کار بسيار نزديک می شود و فرايند کامل يک تخليه الکتريکي به ترتيب زير به وقوع می پيوندد. Offtime
پديده تخليه الکتريکی از زمان اعمال پالس تا شروع جرقه
1. ولتاژ بين الکترود و قطعه کار يک ميدان الکتريکی در فاصله هوائی يا GAP بوجود می آورد.
2. در نتيجه اين ميدان ،ذرات هادی در وسط ناحيه ميدان که ميدان الکتريکی بسيار قوی است، متمرکز می شوند. و پلی را در وسط ميدان تشکيل ميدهند. ( بدليل نبود ذرات هادی معلق در آب مقطر خالص در ابتدای بکارگيری ماشين وايرکات براده برداری به کندی صورت ميگيرد چون کانال دير يونيزه ميشود.)
3. در اين زمان الکترونها از قطب منفی به داخل کانال ايجاد شده حرکت می کنند، و با اِين ذرات برخورد می کنند. بنابراين يونهای مثبت و منفی از اين ذرات معلق بوجود می آيند. اين فرايند بصورت انفجاری کل ناحيه GAP را در بر می گيرد.
پديده تخليه الکتريکی از شروع جرقه تا انتهای پالس
1. يونهای مثبت به سمت قطب منفی حرکت ميکنند ، و يونهای منفی بسمت قطب مثبت. و جريان يونها بوجود می آيد.
2. اين جريان الکتريکي به شدت افزايش يافته و در برخورد در آن نقطه گرماي شديدي بوجود مي آورد و در صورتيکه گرما موثر باشد، همان نقطه از قطعه کار ذوب مي شود. اين گرما مايع دي الکتريک را بخار کرده و فشاري را بين الکترود و قطعه کار بوجود مي آورد اين فشار بسيار کوچکتر از آني است که بتواند در قطعه کار يا ابزار حرکت ايجاد کند اما اين فشار در واحد سطح مقدار بسيار بزرگي است.
3. پس از ذوب شدن آن نقطه، با ادامه اعمال ولتاژ و جريان، کانال يونيزه گشادتر مي شود و سطح نقطه ذوب بيشتر مي شود اما اين ولتاژ و جريان را تا آخر نمي توان ادامه داد چرا که با ادامه جريان، آن نقطه هر چه بيشتر داغتر مي شود و به کربنها فرصت کافي براي سوختن مي رسد و اين کربنها در اثر فشار حاصل و بدليل مرطوب بودن کانال يونيزه به هم مي چسبند و حال الکترونها به جاي حرکت از طريق کانال يونيزه از طريق اين توده کربن منتقل مي شوند و علاوه بر اينکه بر ذوب بيشتر کمک نمي کند بلکه عارضه بسيار بدي بنام ARC يا جوشکاري را پديد مي آورد.
پديده تخليه الکتريکی از در زمانofftime
1. حال پالس خاموش مي شود.( off time) مايع سرد به سطح مذاب حرارت بالا مي رسد و مذاب بسيار سرد مي شود.
اين سرد شدن شديد باعث انجماد نشده و مذاب را متلاشي مي کند که بصورت آتشفشاني فوران مي کند و از محل دور مي شود. اما همه مذاب متلاشي نمي شود و قسمتي از آن در اثر فشار گازهاي حاصل جابجا شده و لبه مي گيرد. اين لبه هاي بوجود آمده، نقاط موثر تخليه بعدي خواهند بود. در زمان خاموشي پالس، GAP دوباره ايزوله مي شود و براي پالس بعدي آماده مي شود.
دی الکتريک
در ابتدای کشف اسپارک در روسيه از هوا بعنوان دی الکتريک استفاده شد. بزودی کشف شد که مشتقات نفت مزايای زيادی نسبت به هوا دارند. استحکام آنها زياد است. و با استفاده از مشتقات نفت از گپ کوچکتری ميتوان استفاده کرد و کيفيت اسپارک کاری با آن بسيار مطلوب است. در اين نوع مواد فرکانس کار اسپارک ميتواند بيشتر گردد و ذرات برداشته شده براحتی توسط آن جابجا ميشوند.
وظايف دی الکتريک
· جداسازی يکی از مهمترين فوائد دی الکتريک عايق سازی بين الکترود و قطعه کار است. دی الکتريک باعث باريک شدن پهنای کانال جرقه نيز ميشود که اين به نوبه خود باعث بالا رفتن کيفيت سطح اسپارک ميشود.
· يونيزاسيون سيال انتخاب شده بايد تازمان وقوع شکست الکتريکي غير رسانا باقي بماند. زمانيکه ولتاژ فاصله هوائي به ولتاژ يونيزاسيون رسيد ، سيال بايد سريع بشکند ( شکست الکتريکي ) و پس از عمل تخليه باز سريع غير يونيزه گردد. گرماي نهان تبخير سيال بايد بزرگ باشد تا تنها يک قسمت کوچکي از دي الکتريک تبخير شود و کانال اسپارک سطح کوچکي را به خود اختصاص مي دهد. در نتيجه آن چگالی انرژی بالا ميرود و دانه بندي اسپارک ريزتر گردد.
· خنک سازی دمای جرقه اسپارک در سطح الکترود و قطعه کار مقداری بين 8,000-12,000° C دارد اين گرمای بالا قطعه کار را سريع ذوب ميکند که دی الکتريک بايد هر دو سطح را خنک سازد. اگر الکترود خنک نگه داشته شود خوردگی آن نِيز کاهش مِی يابد.
· جابجائی ذرات براده برداری شده
شرايط لازم دی الکتريک
بطور تئوريک همه مايعاتی که عايق باشند ميتوانند بعنوان دی الکتريک مورد استفاده قرار گيرند. يک دی الکتريک بايد شرايط زير را داشته باشد.
· فرسايش: فرسايش زياد قطعه کار داشته باشد در حاليکه فرسايش الکترود توسط يونهای آن کم باشد. ( يونهای مثبت آن بسيار سنگين تر از يونهای منفی آن باشد)
· تاثير بر سلامتی: تحريک پوستی نداشته باشد، سمی نباشد، دود توليد نکند و بوی بد نداشته باشد. هيدروکربنهای گروه پارافين بر پوست تاثير دارند و نبايد بکار برده شوند. بر روی وان اسپارک يک سيستم تهويه بايد نصب شود مگر در مواردی که اسپارک فقط برای پرداخت بکار ميرود.
· نقطه اشتعال: دی الکتريک نبايد زود بخار شده و مشتعل شود. مايعات با درجه اشتعال پائين تر، گازهاي زيادي را توليد مي کنند که اين گازها سرعت ماشين کاري را پائين آورده و احتمال آتش گرفتگي را بالا مي برد.
· چگالی: مواد با چگالی بالا نرخ براده برداری بالائی دارند. چگالی مواد معمولا در دمای 15 درجه سانتيگراد محاسبه می شوند. دی الکتريکهای مورد استفاده امروزی چگالی بين 0.750-0.820 دارند.
· چسبندگی يا ويسکوزيته: ويسکوزيته، فاکتور بسيار مهمي است. روغن با ويسکوزيته بسيار بالا براي ماشين کاري خوب است. و براي اين نوع روغن چرخش مابين فاصله هوائي کوچک به سختي صورت مي گيرد. برعکس ، اين روغن سنگين براي سطوح خشن مناسب است .
· هدايت الکتريکی: هيدروکربنهائی که برای مصارف صنعتی بکار گرفته ميشوند هدايتی در حدود 2x 10-14 ohmxcm-1 دارند.
· ضريب دی الکتريک:برای محاسبه ضريب دی الکتريک ظرفيت يک خازن در دو حالت پر از دی الکتريک و خالی از دی الکتريک در يک حالت فرکانس بالا اندازه گيری می شود. ضريب دی الکتريک از تقسيم دو مقدار بدست آمده بدست می آيد. دی الکتريکی برای اسپارک مناسب است که ضريب دی الکتريکی بين دو تا دونيم داشته باشد.
· ولتاژ از هم گسيختگی: مقدار ولتاژی که ميتواند يک لايه 5/2 (دو نيم) ميليمتری از دی الکتريک را بين دو الکترود کروی از هم بپاشد (عايق را به هادی تبديل کند) ولتاژ از هم گسيختگی يا طاقت جرقه گويند. دی الکتريک مناسب برای اسپارک بايد طاقت جرقه ای بين 50-60 kv داشته باشد.
· تعليق ذرات:ذراتي که از قطعه کار يا الکترود برداشته ميشوند بخصوص کربن در آن ناحيه ايجاد ناخالصی ميکند. دی الکتريک بايد اين قطعات را از روی ناحيه کار دور کند. بهتر است مقدار کمی از اين ناخالصی ها برای براده برداری بهتر روی ناحيه کار باقی بمانند اما غلظت ناخالصی ها نبايد بالا باشد. افزايش غلظت ناخالصی ها موجب بروز arc ميشود. بعبارت ديگر ذرات ميِکرونی موجب سرعت براده برداری ميشوند و اضافه کردن مقداری ناخالصی به دی الکتريک خالص سرعت براده برداری آنرا بالا ميبرد.
· رنگ و واشرهای ماشين را حل نکند.
· عمر بالا , در دسترس بودن و در نهايت قيمت ديگر پارامترهای مهم اسپارک هستند.
در انتخاب روغن مناسب بعنوان دي الکتريک نکات زير بايد مورد توجه قرار گيرند:
1. براي ماشينکاري کاربيدتنگستن استفاده از نفت سفيد مناسبتر است.
2. براي ماشين کاري قطعات ريز با سطوح صاف ( مثل صنعت ساعت سازي ) نيز از نفت سفيد استفاده شود.
3. براي ماشين کاري قطعات با اندازه هاي متوسط ( که h35 يا آنهائي که صافي سطح خوبي را لازم دارند ) از روغن با ويسکوزيته بين 6-12cts استفاده شود.
4. براي ماشينکاري قطعات بزرگ ( با سطوح خشن يا ch36 ) از روغن با ويسکوزيته بين 12 تا 20cts استفاده گردد.
روغن مخصوص EDM
اين نوع از روغن ويسکوزيته پائين بوده و رنگ روشن دارد و همچنين براحتي فيلتر شده و براحتي جابجا مي شود. نقطه اشتغال بالائي نيز دارد از جمله خواص ديگر اين ماده ضد اکسيد اسيون بودن آنست که رسوب را کاهش مي دهد.کميابي و گران قيمت بودن و غير استاندارد بودن انواعي از آن از جمله مشکلات اين روغن يا دي الکتريک مخصوص است.