ماشینهای الکتروشیمیایی ECM

10 / 10
از 1 کاربر

ماشينكاري الكتروشيميايي (ECM)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ماشينكاري الكتروشيميايي (ECM)

چكيده

در اين پژوهش به مدلسازي روند ماشينكاري الكتروشيميايي (Electro Chemical Machining)، که يکي از روشهاي غير سنتي و جديد ماشينکاري مي‌باشد، پرداخته مي‌شود. هدف از شبيه‌سازي اين فرآيند کاهش هزينه‌هاي مربوط به مدلسازي و ساخت قالب‌هاي ماشينکاري، زمان و غيره مي‌باشد. در اين راستا، با بکارگيري رويکرد قدرتمند گسسته‌سازي با روش اجزاء محدود، مدلسازي انجام گرفته و معادلات حاکم بر فرآيند حل ‌شده و فرسايش در هر گام زمانی برآورد می‌گردد. دستاوردها نشان از توانايي بسيار بالاي اين رويکرد در بازآفريني رايانه‌اي اين فرآيند دارد. دستاوردها، با ماشينکاری رايانه‌ای پره توربين نشان داده شده است.

 

 

واژه‌هاي كليدي :

 ماشينکاري الکترو شيمياي- برش آندی- اجزاء محدود- ECM

 

 

 

 

مقدمه

ماشينكاري الكتروشيميايي که گاهی اوقات با نام برشکاری کاتدی نيز از آن ياد می‌شود يکی از روشهای اخير ماشينکاری، با توانايي بالا برای استفاده، می‌باشد. پايه و اساس فرآيند جديد نمی‌باشد اما کاربرد فرآيند بعنوان يک ابزار فلزکاری بديع می‌باشد. گسترش وسيع اين فرآيند را می‌توان در راستای نياز به ماشينکاری مواد سفت و سخت، افزايش يافتن هزينه تلاش و کوشش دستی و نياز به پيکربنديهای ماشينکاری فرآتر از توانايی ماشينکاريهای مرسوم جستجو کرد.

يکی از برتريهای توانمند ECM در ماشينکاری سطح‌های هندسی پيچيده سه بعدی می‌باشد، بگونه‌ای که اثر ابزار برش بر روی قطعه کار باقی نمی‌ماند. عمر زياد ابزار کار از ويژگيهای بارز اين روش می‌باشد، بطوريکه می‌توان قطعات خيلی زيادی را تنها با يک سری قالب ساخت. ماشينکاری فلزات و آلياژها، بدون توجه مقاومت و سختی آنها، از ديگر تواناييهای قابل بيان اين روش می‌باشد. هرچند اين تواناييها را می‌توان مشترک با روش Electric Discharge Machining, EDM يافت اما سطح ماشينکاری شده عاری از تنش و پرداخت سطح بسيار بالا (5 ميکرون) جذابيتهای اضافی اين روش می‌باشد، ]1[. ناگفته نماند که نرخ ماشينکاری مواد سخت با ECM، در مقايسه با روشهای مرسوم بيشتر است.

كاربردهاي عملي ماشينكاري الكتروشيميايي به تنهايي براي برداشت فلز از يك سطح بكار نمي‌رود بلكه مي‌تواند براي پروفيل كردن يك قطعه نيز مورد استفاده قرار گيرد. بيشتر، پره‌های توربين گاز و بخار با اين روش ماشينکاری می‌شوند و اين تلاش نيز مدل‌سازی نمونه اي از اين قطعات را نشان می‌دهد.

2- فرآيند ECM

ميشل فارادی دريافت که اگر دو الکترود در داخل مايعی رسانا قرار بگيرند و به آنها جريان مستقيم اعمال گردد روکشی از ذرات فلز آند بر روی سطح فلز کاتد بوجود خواهد آمد. اين فرآيند، در صنعت، سالها بانام آبکاری انجام می‌گيرد. با تغييرات ويژه‌ای،ECM دگرگون شده آبکاری می‌باشد. فرآيند ECMاز ابزار و يا الکترودی که پيشتر شکل داده شده است استفاده می‌کند. از اين ديدگاه که در ماشينکاری، مواد از روی قطعه‌کار برداشته می‌شود کاتد ابزار و آند قطعه‌کار می‌باشد. همچنين الکتروليتی در فاصله کوچک تامين شده بين قطعه‌کار و ابزار پمپ می‌شود، شکل 1.

 

شکل 1- طرحواره ماشينکاری الکتروشيميايی

شکل 1 اجزای پايه‌ای فرآيند را که شامل ابزار، قطعه‌کار، الکتروليت و منبع تغذيه می‌باشد، نشان می‌دهد.

ECM فرآيندی پويا می‌باشد بگونه‌ای كه در آن ابزار با نرخ ثابت به سوی قطعه‌كار حركت کرده و همچنين مرز قطعه‌كار پيوسته فرسايش يافته و تغيير مي‌كند و اين روند تا به‌دست آمدن شکل نهايی محصول تکرار می‌گردد.

هنگام بازآافرينی رايانه‌ای در هر تکرار چگالی جريان محاسبه ‌شده و بر اساس آن مقدار فرسايش سطح برآورد گشته و مرز سطح تغيير مي‌کند.

 

3- تئوري حاکم در شكل‌دهي با ECM

تئوري ECM و حل مدلهاي دو يا سه بعدي آن ساده نمی‌باشد و تنها روشهای عددی است که می‌تواند معادلات ديفرانسيل را برای هندسه‌های پيچيده بازگشايی کرده و پاسخ آنرا بدست آورد كه در اين شبيه سازي نيز استفاده شده است. اما حل تحليلی و دقيق بعضي مدل ساده يك‌بعدي ممكن می‌باشدکه جهت تفهيم بهتر نحوه مدلسازي در زير به آن پرداخته می‌شود. نخست ساده سازيهايی برای حل مدل يك‌بعدي ساده بصورت زير در نظر گرفته می‌شود:

 

1- ابزار و قطعه كار داراي رسانايي بالا در قياس با محلول الكتروليت مي‌باشند و همچنين سطح ابزار و سطح كار هم پتانسيل هستند.

2- ولتاژ وابسته به واكنش الكتروشيميايي درالكترودها صفر است از اين رو قانون اهم مستقيما بكار مي‌رود.

3- خواص سيستم يكنواخت بوده و به جهت بستگي ندارد.

4- جريان الكتروليت تاثير مهمي ‌بر رسانايي ويژه الكتروليت  ندارد و اين مقدار در عمليات ECM ثابت باقي مي‌ماند.

5- كل جريان براي براده برداري بكار مي‌رود.

در اين شرايط نرخ تغيير فاصله بين ابزار و قطعه‌کار، ، نسبت به سطح ابزار از قانون فارادي بدست مي‌آيد  ]2-3[:

(1)

 

كه در آن  وزن اتمي‌،  ظرفيت يون حل شده،  ثابت فارادي،  چگالي فلز آند، قطعه كار،  سرعت پيشروی ابزار و  شدت جريان است. شدت جريان  از قانون اهم به شكل زير بدست مي‌آيد:

(2)

 

در معادله بالا  رسانايي الكتروليت و  اختلاف پتانسيل است. با قرار دادن در معادله 2، معادله 3 حاصل مي‌شود:

(3)

 

و در حل معادله فوق دو حالت عملي را می‌توان بررسی کرد که در ادامه آورده شده‌اند.

الف) سرعت پيشروي ابزار صفر

پاسخ براي در مدت زمان  بصورت زير به‌دست می‌آيد:

(4)

 

كه در آن فاصله ماشينكاري اوليه است. همانگونه که ديده می‌شود فاصله دهنه با ريشه دوم زمان به‌صورت نامحدود زياد مي‌شود، شكل 2 (الف). اين حالت اغلب در پليسه‌گيري با ECM به كارمي‌رود كه در آن ناهمواريهاي سطح در چند ثانيه برداشته شده و نيازي به حركت مكانيكي الكترود نيست.

ب) سرعت پيشروي ثابت

ابزار با سرعت ثابتي به طرف قطعه كار حركت مي‌كند. پاسخ معادله 3 به شكل بدست می‌آيد:

(5)

 

توجه شود كه فاصله دهنه‌ها به يك مقدار پايدار نزديك مي‌شود.

(6)

 

اين حالت ECM كه در آن فاصله تعادلي بدست مي‌آيد به طور گسترده در توليد مجدد شكل كاتد ابزار روي قطعه‌كار بكار مي‌رود. نمايش شماتيك حل معادله 5 در شكل 2 (ب) مشاهده مي‌شود.

 

 

 

 

 

 

 

شکل 2- تغييرات فاصله دهانه با مدت زمان ماشينکاري       الف )سرعت پيشروي الکترود صفر ب) سرعت پيشروي ثابت

در حالت‌های دو و سه بعدی با هندسه پيچيده و مرزهای منحنی معادله 2 برقرار نمی‌باشد. اين عدم برقراری به‌سبب توزيع غير يکنواخت پتانسيل الكتريكي در الكتروليت می‌باشد. از اين رو برای بدست آوردن ميدان شدت جريان بايد از رابطه زير استفاده کرد ]4[:

(7)

 

که در آن پتانسيل  از حل معادله لاپلاس، معادله 8، در هر نقطه از الکتروليت به‌دست می‌آيد.

(8)

 

و در آخر قانون فارادي:

(9)

 

براي محاسبه سرعت پسروي آند به كار مي‌رود.

روشهاي مختلفي از جمله روش كاملا تحليلي، روش گرافيكي- قياسي و غيره براي حل اين معادلات به كار رفته است. به علت پيچيدگي مساله شكل‌دهي در ECM، بکارگيری اين روشهاي در مسايل عملي مشكل است. بدون شك روشهاي عددی كامپيوتري عملي‌ترين راه حلها را پيشنهاد می‌دهند و شايد بهره‌جويی هنرمندانه از آنها تا اندازه‌ای زياد طراحي تجربي و مرسوم ابزار را به دست تاريخ پسپارد.

4- اجزاء محدود ECM

روش اجزاء محدود رويکردی توانمند برای تحليل عددی طيف وسيعی از مسايل مهندسی می‌باشد. تحليل تنش و تغيير شکل سازه‌های بزرگ و پيچيده، بررسی مسايل انتقال حرارت و جريان سيال و غيره پهنه‌های گسترده برای حضور اجزائ محدود می‌باشد ]5[.

همانگونه که پيشتر اشاره شد اغلب در مسايل دو بعدی برای بدست آوردن شدت جريان بايد از روشهای عددی کمک گرفت. در اين تلاش روش اجزاء محدودبرای اين منظور انتخاب شده است. و همچنين برای برپايی معادلات اجزاء محدود از ANSYS کمک گرفته شده است و با رويکردی برگرفته از آنالوژی ميان معادلات حرارت و مغناطيس از المان PLANE 55 که المانی حرارتی می‌باشد ]6[ برای مدلسازی الکتروليت استفاده شده است. در روند اجرای برنامه شدت جريان در ميدان الکتروليت به‌دست آمده و با استفاده از اصل فارادی مقدار خوردگی فلز قطعه‌کار محاسبه شده سپس مرزهای قطعه کار جابجا شده و ميدان هندسی الکتروليت با توجه به اين جابجايی دوباره ساخته و با المان ياد شده دوباره مش‌بندی می‌شود و دوباره تحليل تا انتها ادامه ميبابد .شکل 3 ابزار کار، قطعه‌کار، هندسه ميدان الکتروليت و مش‌بندی الکتروليت نمونه اجرا شده را نشان می‌دهد.

 

شکل 3- مدل هندسی اوليه ساخته شده (بالا)، مش‌بندی الکتروليت (پايين)

شايان ذکر است که نرم‌افزار ANSYS تنها برای حل معادله‌های حاکم بکار گرفته شده است و برای شبيه‌سازی روند فرآيند ECM برنامه جدا‌گانه‌ای با نام ECMSIM نوشته شده است. اين برنامه نوشته شده شامل 14 فايل به زبان پايه برنامه Ansys ميباشد . جهت رويت بعضي از فايل ها و نحوه ارتباط آنها با يكديگر و ههچنين وظيفه هريك از اين فايلها در اين شبيه سازي ميتوايند به مرجع 4 مراجعه كنيد.

در روند برنامه بايد شرط تعادل پيش از شرط خاتمه گنجانده شود. به ديگر سخن، نخست قطعه‌کار بايد به صورت شکل نهايی، اما بزرگتر از آن، تغيير يابد و سپس اين ساختار پايا تا اندازه خواسته شده، پايان فرآيند، کوچک شود.

شرط تعادل و خوردگی ثابت را می‌توان با کمک شکل 4 به‌دست آورد. همانگونه که از شکل برمی‌آيد جهت جريان بر سطح قطعه‌کار عمود در نظز گرفته شده است و اين پنداشت ناشی از هدايت بالای فلز در قياس با الکتروليت می‌باشد. از اينرو برای برپايی معادله نرخ فرسايش می‌توان رابطه 10 را بکار گرفت.

(10)

 

که در آن  نرخ فرسايش و  اندازه جريان عمود بر سطح می‌باشد. با اين نرخ و گذر زمان  عمق خوردگی، ، در راستای عمود بر سطح از رابطه 11 به‌دست می‌آيد.

(11)

 

 

شکل 4- طرحواره حرکت ابزار، جهت جريان و راستای خوردگی قطعه‌کار

با توجه به شکل 5 می‌توان نوشت:

(12)

 

و در آن  خوردگی در راستای پيشروی ابزار می‌باشد.

زمانی که تعادل ايجاد می‌شود، با وجود ادامه خوردگی، می‌بايست شکل قطعه‌کار ثابت بماند. از اينرو جابجايی ابزار و خوردگی قطعه‌کار در جهت حرکت ابزار در تمامی نقاط سطح قطعه‌کار بايد يکی باشد، اين راهنمايی برای بدست آوردن رابطه تعادل می‌باشد. بنابر اين می‌توان نوشت:

(13)

 

با ساده‌سازی، رابطه تعادل بصورت زير به‌دست می‌آيد.

(14)

 

 

5- شبيه‌سازی پره توربين

در اين بخش مدل‌سازی روند ماشينکاری با برنامه نوشته شده (ECMSIM) ،نشان داده می‌شود. در شکل 3 مدل هندسی قالب پره که همان ابزار کار می‌باشد و همچنين قطعه اوليه با شکل اختياری نه چندان منظم آورده شده است. مراحل ماشينکاری پره در چند گام زمانی مختلف در شکل 5 نشان داده شده است.

   

      

شکل 5- مراحل مختلف ماشينکاری پره با روش ECM به كمك برنامه شبيه سازي نوشته شده

همانگونه که پيشتر گفته شد توزيع پتانسيل وجريان در ميدانهايی با مرزهای منحنی، پيچيده می‌باشد. شکل 6 بيانگر اين گفته در يک گام زمانی برای اين مدل در خروجي برنامه در محيط ANSYS می‌باشد. لازم به توضيح است كه اين شکلها و در پی آن نتايج حاصل از تحليل در گام‌های زمانی مختلف به دليل يكسان نبودن شكل همسان نخواهند بود.

 

شکل 6- توزيع پتانسيل در الکتروليت (بالا)، توزيع جريان در الکتروليت (پايين)

علل نیاز به فرایندهای پیشرفته ماشینکاری AMPs                  

صنایع پیشرفته تکنولوژیکی نظیر هوانوردی، راکتورهای هسته‌ای، خودروسازی و... همواره به موادی نیاز دارند که از نسبت «استحکام به وزن» بالایی برخوردار باشند (آلیاژهای مقاوم در برابر دماهای بالا).             

                   

صنایع پیشرفته تکنولوژیکی نظیر هوانوردی، راکتورهای هسته‌ای، خودروسازی و... همواره به موادی نیاز دارند که از نسبت «استحکام به وزن» بالایی برخوردار باشند (آلیاژهای مقاوم در برابر دماهای بالا). پژوهشگران علم مواد نیز موادی را به‏وجود می‌آورند که دارای استحکام، سختی و چقرمگی بالاتر و همچنین خواص متنوع دیگر باشند. این امر، به رشد و توسعه جنس ابزار برش بهتر منجر شده و از کاهش بهره‌وری پیشگیری می‌کند.

در فرایندهای ماشینکاری سنتی، افزایش سختی جنس قطعه کار، باعث کاهش سرعت برش اقتصادی می‌شود. دست‌یابی به جنس ابزاری سخت و مقاوم که بتواند موادی نظیر تیتانیوم، فولاد زنگ‌نزن، نیمونیک‌ها و دیگرآلیاژهای مشابه با مقاومت حرارتی و استحکام بالا (HSTR) [۲]، کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف، استلیت‌ها (آلیاژهایی با پایه کبالت)، سرامیک‌ها و آلیاژهایی را که ماشینکاری آنها مشکل است، در سرعت‌های برش اقتصادی برش بزند، دیگر امکان‌پذیر نیست. تولید شکل‌های پیچیده در چنین موادی با استفاده از روش‌های سنتی، بسیار مشکل است. نیازهای دیگر که در سطحی بالاتر قرار می‌گیرند، عبارتند از: پرداخت بهتر، مقادیر کمترتلرانس‌ها، نرخ تولید بالاتر، شکل‌های پیچیده، انتقال اتوماتیک داده‌ها و ساخت در مقیاس‌های بسیار کوچک (مینیاتوری). ایجاد سوراخ (با زوایای ورودی کم، غیردایره‌ای، با اندازه‌های میکرونی، نسبت ابعادی زیاد، تعداد زیادی سوراخ ریز در یک قطعه کار، سوراخ‌های منحنی شکل، سوراخ بدون پلیسه و ...) در موادی که سخت ماشینکاری می‌شوند، موارد دیگری است که فرایندهایی مناسب را می‌طلبد. ویژگی‌های یادشده، عموماً در محصولاتی موردنیاز هستند که در صنایعی نظیر هوافضا، راکتورهای هسته‌ای، موشک‌ها، توربین‌ها، خودروها و... استفاده می‌شوند. برای پاسخگویی به این نیازها، انواع دیگر از فرایندهای ماشینکاری با عنوان فرایندهای غیرسنتی یا به بیانی صحیح‌تر، فرایندهای پیشرفته ماشینکاری، رشد و توسعه یافته‌اند.

براساس آنچه گفته شد، نیاز به ماشین‌های ابزار و فرایندهایی که بتوانند به دقت و سهولت هرچه بیشتر شکل‌های پیچیده و دقیق را در موادی با کمترین قابلیت ماشینکاری ایجاد کنند، بشدت احساس می‌شود.

 

 

         

شکل۱: نمایی از یک ماشین واترجت (WJM)

علاوه بر این، ماشین‌های ابزار باید به سادگی قابل انطباق با اتوماسیون باشند. برای دست‌یابی به این مهم، تاکنون تعدادی از فرایندهای برداشت ماده، با هدف استفاده به صورت تجاری، توسعه داده شده‌اند. از آنجا که در این روش‌ها، از ابزار سنتی برای بریدن مواد استفاده نمی شود، آنها را غیرقراردادی[۳] نیز می‌نامند. در این فرایند برای برداشت ماده از قطعه کار از انرژی به صورت مستقیم استفاده می‌شود. دامنه کاربرد فرایندهای جدید ماشینکاری توسط خواص قطعه کار، مانند هدایت الکتریکی و حرارتی، دمای ذوب، معادل الکتروشیمیایی و... تعیین می‌شود. بعضی از این روش‌های جدید می‌توانند نقاطی از قطعات کار را ماشینکاری کنند که دسترسی به آنها با روش‌های قراردادی ماشینکاری، امکان‌پذیر نیست. استفاده از این روش‌ها در کارگاه‌ها، افزایش اجتناب‌ناپذیر و مطلوبی داشته است. اهمیت این فرایندها با توجه به انجام ماشینکاری دقیق و یا فوق دقیق، بسیار بیشتر می‌شود. «تانی گوچی» به این نتیجه رسید که دقت‌های بالا را نمی‌توان با روش‌های قراردادی ماشینکاری به دست آورد زیرا در آنها، ماده به شکل براده برداشته می‌شود. با این وجود، چنین دقت‌هایی را می‌توان با استفاده از برخی روش‌های پیشرفته ماشینکاری به دست آورد که در آنها، ماده به شکل اتم‌های جدا یا مولکول‌های جدا و یا گروهی از اتم‌ها و مولکول‌ها، برداشته می‌شود.

فرایندهای پیشرفته ماشینکاری را می‌توان به سه گروه اصلی: ماشینکاری مکانیکی، ترموالکتریکی و الکتروشیمیایی طبقه‌بندی کرد (شکل۲). هیچ یک از این فرایندها، تحت تمام شرایط و حالات ماشینکاری، بهترین روش نیستند. بعضی از آنها فقط برای مواد هادی الکتریسته استفاده می‌شوند و از برخی دیگر می‌توان برای مواد رسانا و غیررسانای الکتریسته، استفاده کرد. عملکرد بعضی از این روش‌ها در ماشینکاری موادی مانند آلومینیم که هدایت حرارتی بسیار بالایی دارد، چندان مناسب نیست. همچنین، هر کدام از فرایندها، ویژگی‌های منحصر بفرد خود را دارند. بنابراین، انتخاب فرایند ماشینکاری مناسب برای وضعیتی خاص (یا نیازهای محصول) بسیار مهم است.

 

         

                                                                                                                           

 

 

شکل۲: طبقه‌بندی روش‌های پیشرفته ماشینکاری

 

● فرایندهای پیشرفته ماشینکاری

روش‌های پیشرفته ماشینکاری مکانیکی، نظیر: ماشینکاری با جت ذرات ساینده یا جت سایشی (AJM)، ماشینکاری فراصوتی (USM)، ماشینکاری با جت آب (WJM)، با موفقیت‌های محدودی توسعه داده شده‌اند. در این فرایندها، از انرژی جنبشی (K.E) ذرات ساینده یا جت آب، برای برداشت ماده از قطعه کار استفاده می‌شود. ماشینکاری با استفاده از جت آب و ذرات ساینده (AWJM) نیز از انرژی جنبشی (K.E) ذرات ساینده همراه با جت آب، استفاده می‌کند. پرداخت‌‌کاری با استفاده از ذرات ساینده مغناطیسی (MAF) روش دیگری است که در آن، از برس ساینده مغناطیسی برای کاهش ناهمواری‌های موجود بر سطوحی که قبلاً ماشینکاری شده‌اند، استفاده می‌شود. بتازگی، فرایند پرداخت‌کاری جدیدی به نام ماشینکاری با جریان ذرات ساینده (AFM) گسترش یافته است. با این وجود، عملکرد این روش‌ها به سختی، استحکام و دیگر خواص فیزیکی و مکانیکی قطعه کار بستگی دارد. نکته موردنیاز، توسعه روشی (روش‌هایی) است که عملکرد آن مستقل از خصوصیات فیزیکی، متالوژیکی و مکانیکی قطعه کار باشد. روش‌های ترموالکتریکی قادرند بر برخی موانع غلبه کنند. بنابراین، از فرایندهای ترموالکتریکی و همچنین فرایندهای الکتروشیمیایی، بیشتر و بیشتر در صنایع فلزکاری استفاده می‌شود.

 

شکل۳

در روش‌های ترموالکتریکی، انرژی یا به صورت گرما (ماشینکاری با قوس پلاسما-PAM) یا به صورت نور (ماشینکاری با اشعه لیزر- LBM) و یا بمباران الکترونی (ماشینکاری با اشعه الکترونی-EBM) تأمین می‌شود. در این شیوه، انرژی بر محدوده‌ای کوچک از قطعه کار متمرکز شده که منجر به ذوب، یا ذوب همراه با تبخیر می‌شود. PAM، به عنوان فرایند ماشینکاری خشن، شناخته شده است. LBM  و EBM  برای ایجاد برش‌ها و سوراخ‌های دقیق و ظریف، مناسب هستند. ماشینکاری با تخلیه الکتریکی (EDM) قادر به ماشینکاری اقتصادی و با دقت بالای مواد است. از این روش، به طوری گسترده برای ماشینکاری مواد سخت و چقرمه، اما هادی الکتریسیته استفاده می‌شود. با این وجود، فرایند یادشده در مواردی که پرداخت سطح خیلی خوب، صدمه کم به سطح ماشینکاری شده و نرخ برداشت ماده (MRR) زیاد موردنیاز است، مناسب نیست. بنابراین، حتی فرایندهای پیشرفته ماشینکاری (AMPs) مکانیکی و ترموالکتریکی نیز، راه‌حلی رضایت‌بخش برای برطرف کردن برخی مشکلات ماشینکاری موادی که ماشینکاری آنها مشکل است، ارائه نمی‌دهند.

 

 

شکل۴

ماشینکاری شیمیایی (ChM) فرایند حکاکی یا کنده‌کاری شیمیایی[۴] است، که به دلیل MRR  بسیار پایین و مشکلات موجود در یافتن محلول شیمیایی مناسب برای حکاکی قطعه کار، کاربردهایی بسیار محدود دارد. از سوی دیگر، ماشینکاری الکتروشیمیایی (ECM) کاربردهایی بسیار گسترده دارد. این فرایند در واقع فرایند حل شدن کنترل شده «آند» با MRR  بالا است که به هیچ یک از خواص فیزیکی و مکانیکی قطعه کار بستگی ندارد، اما قطعه کار باید از نظر الکتریکی رسانا باشد. در این روش سایش ابزار، تنش‌های پسماند و صدمه حرارتی در قطعه کار ایجاد نمی‌شود و لبه‌های ماشینکاری شده نیز فاقد پلیسه هستند. با این وجود، اکثر فرایندهای پیشرفته ماشینکاری نمی‌توانند به طور کامل جایگزین فرایندهای قراردادی ماشینکاری شوند. ماشینکاری بیوشیمیایی (BM) فرایندی در حال پیشرفت است که به منظور ماشینکاری پلاستیک‌های تجزیه‌پذیر[۵] به کار می‌رود و کاربردهایی بسیار محدود دارد.

بهترین عوامل به هنگام انتخاب یک فرایند، عبارتند از: قابلیت فرایند، عوامل فیزیکی، شکلی که باید ماشینکاری شود، خواص جنس قطعه کار، و مقرون به صرفه بودن فرایند.

 

● فرایندهای مختلط (ترکیبی)

به منظور افزایش توانمندی‌های فرایندهای ماشینکاری، دو و یا بیش از دو فرایند ماشینکاری با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا از مزایای هر یک، بتوان بهره برد. مثلاً، سنگ‌زنی قراردادی یا معمولی، پرداخت سطح خوب و مقادیر تلرانس پایینی دارد، اما قطعات ماشینکاری شده توسط آن، دارای پلیسه، منطقه متأثر از حرارت و تنش‌های پسماند هستند. از آنجا که قطعات ماشینکاری شده به روش الکتروشیمیایی، فاقد چنین عیوبی هستند، فرایندی مختلط به نام سنگ‌زنی الکتروشیمیایی (ECG) رشد و توسعه داده شده است. به همین ترتیب، فرایندهای مختلط دیگری نظیر ماشینکاری الکتروشیمیایی جرقه‌ای (ECSM) [۶]، ماشینکاری الکتروشیمیایی قوسی (ECAM) [۷]، سنگ‌زنی سایشی با تخلیه الکتریکی (EDAG) [۸] و ... نیز ایجاد شده‌اند.

 

ماشینکاری الکتروشیمیایی(ECM):

الکترولیز به طور موفقیت آمیزی درفرآیندهای آبکاری برقی،شکل دهی برقی و پرداختکاری برقی بکار گرفته شده است.فرآیند برداشت ماده توسط تجزیه یا حل شدن شیمیایی از سال 1780 میلادی کشف شده است ، اما در طی چند دهه گذشته این روش بهتر مورد استفاده قرار گرفته است.این فرآیند همچنین به عنوان فرآیند شکل دهی الکتروشیمیایی غیر تماسی نیز شناخته میشود.مشخصه قابل توجه الکترولیز این است که انرژی الکتریکی برای تولید واکنش شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرد.بنابراین ، فرآیند ماشینکاری راکه بر اساس این اصل استوار است به عنوان ماشینکاری شیمیایی میشناسند.این فرآیند بر اساس قوانین تجزیه الکتریکی فاراده عمل میکند.در ECM اختلاف پتانسیل الکتریکی DC کمی(25-5)ولت به دو الکترود یا به عبارت دیگر به کاتد و آندی (آند قطعه کار است و کاتد ابزار)که در الکترولیت قراردارند اعمال میشود انتقال الکترونها بین یونها و الکترودها مدار الکتریکی را کامل میسازد.فلز به صورت اتم های منفرد از سطح آند جدا میشود و در الکترولیت به صورت یونهای مثبت ظاهر میشود.در ماشینکاری الکتروشیمیایی فلزجدا شده به صورت هیدروکسیدهای فلزی جامدرسوب کرده ظاهر میشود.

الکترولیتهای مورد استفاده در ECM حاوی اسیدها یا در حالت کلی تر، نمکهای قلیایی محلول در آب میباشند.وقتی که الکترولیت با سرعت زیاددرحد فاصل بین دو الکترود حرکت میکندچندین کاررا انجام میدهد.این الکترولیت محصولات واکنش الکتروشیمیایی رارقیق میکند و آنها را از این فاصله خارج میسازد، حرارت رابا سرعت بیشتر وبه مقدار زیادتری منتقل میکند و تمرکز یونها را بر روی سطح الکترود محدود میکند تا نرخ های ماشینکاری بیشتری حاصل شود.دبی حجمی الکترولیت بر اساس سرعت جریان الکترولیت ، فاصله بین دو الکترود و سایز قطعه ای که ماشینکاری میشود تعیین میگردد. خواص الکترولیت (ترکیب،غلظت،مقدارPH،دما و غلظت عناصرخارجی) همراه با شکل ابزار به دلیل اینکه متغیرهای مهمی هستند که شکل قطعه ماشینکاری شده (پروفیل آند)را تعیین میکنند باید دقیقا کنترل شوند.انتخاب الکترولیت بسیار مهم است.اغلب از کلرید سدیم(نمک معمولی)به عنوان ماده ای که ارزان و به راحتی موجود میباشد استفاده میشود.به منظورحفظ   MRR مطلوب لازم است الکترولیت تحت فشار بالایی یه فاصله بین دوالکترود پمپاژگردد. بنابراین،شکلی که قراراست درآند ایجاد شود به عوامل زیادی بستگی دارد اما این عوامل را میتوان فقط به چگالی شدت جریان و شکل کاتد محدود کرد.

 

ماشین ابزار ECM  شامل چهار زیر سیستم اصلی میشود:

1- مولد قدرت

2- سیستم تغذیه و تمیز کردن الکترولیت

3- سیستم ابزار و تغذیه آن

4- قطعه کار و سیستم نگهداری آن

 

نمای شماتیک ماشین ابزار ECM  را در شکل زیر مشاهده میکنید:

 

 

 

۱- مولد قدرت:

در حین فرآیند ECM یک جریان مستقیم بالا (ممکن است تا 40000A نیز باشد) و یک اختلاف پتانسیل الکتریکی پایین(در حدود 5-25V)در حد فاصل بین دو الکترود مطلوب است تا کنون بالاترین چگالی جریان بدست آمده در حدود 20000A/CM2 بوده است. بنابراین جریان متناوب سه فاز به کمک یک رکتیفایر و یک ترانس به یک جریان بالای مستقیم با ولتاژ پایین تبدیل میشود. رکتیفایرهای کنترل شده سیلیکونی

 (SCR)به خاطر عکس العمل سریع در برابرتغیرات به وجود آمده درحین فرآیند و کوچک بودن ، جهت انجام عمل یکسوکنندگی و همچنین تنظیم ولتاژ،مورد استفاده قرار میگیرند.

 

 

۲- سیستم تغذیه و تمیز کردن الکترولیت:

سیستم تغذیه و تمیزکاری الکترولیت شامل یک پمپ،فیلترها، لوله ها، شیرهای کنترل ، سیم پیچهای گرم کننده یا سرد کننده ، فشارسنجها و مخزن ذخیره میباشد.دریچه های تغذیه  الکترولیت ممکن است در ابزاریا قطعه کار یا فیکسچربا توجه به نوع حرکت مورد نیاز الکترولیت ساخته شوند.جهت بدست آوردن MRR زیادو دقت بالا معمولا فاصله بین دو الکترود باید کمتر از 1mm باشد.جریان آرام الکترولیت باید حفظ گردد و به این منطور باید از هر نوع انسداد این فاصله کم توسط ذراتی که الکترولیت با خود حمل میکند جلوگیری به عمل آید. بنابراین تمیزی الکترولیت ضروری میباشد معمولا الکترولیت به کمک فیلترهایی از جنس فولاد زنگ نزن ، مونل یا هر ماده مقاومدر برابر خوردگی تمیز میشود.جهت عملکرد مناسب ، این فیلترها باید به طور متناوب تمیز گردند. بمنظوربدست آوردن نتایج مطلوب میتوان فیلترها را در لوله تغذیه الکترولیت درست قبل از ظرفی که قطعه کاردرآن قرارگرفته است نصب نمود.

 

۳- ابزار و سیستم پیشروی آن:

نظر به اینکه ابزار و فیکسچرها باید برای مدت زمانی طولانی در یک محیط خورنده بکار گرفته شوند استفاده از موادی که در برابر خوردگی مقاوم باشند در این محیط ضروری است. هدایت حرارتی و الکتریکی بالای ابزار نیز از ضروریات اصلی میباشد. ماشینکاری آسان ابزار نیز به همین اندازه مهم است به این دلیل که دقت ابعادی و پرداخت سطح ابزار بطور مستقیم بر دقت و پرداخت سطح قطعه تاثیر میگذارد. آلومینیم ، برنج ، برنز ، مس ، کربن ، فولادزنگ نزن و مونل از موادی هستند که برای این منظور استفاده میشوند . علاوه براین قسمتهایی از ابزار که عمل ECM در آنجا مورد نیاز نیست باید عایق کاری شوند. برای مثال ، عدم عایق کاری دیواره های جانبی ابزار قالبسازی باعث ماشینکاری ناخواسته قطعه ودرنتیجه از بین رفتن دقت قطعه ماشینکاری شده میشود. برای ساخت فیکسچرها استفاده از مواد غیر خورنده و مواد نارسانای الکتریکی توصیه مشود. همچنین فیکسچرها و ابزار باید به اندازه کافی صلب باشند تا وقتی تحت نیروهای بالای هیدرولیکی قرار میگیرند مرتعش یا خم نشوند.

 

۴- قطعه کاروسیستم نگهداری آن:

با این فرآیند تنها قطعات کاری که از لحاظ الکتریکی رسانا باشند را میتوان ماشینکاری نمود.خواص شیمیایی جنس آند (قطعه) به مقدار زیادی بر نرخ برداشت ماده (MRR) تاثیر میگذارد. وسایل نگهدارنده قطعه کار از موادی که از لحاظ الکتریکی نارسانا باشند ساخته میشود و دارای خواص پایداری حرارتی خوب و جذب رطوبت پایین میباشند.

 برای مثال پلاستیک های تقویت شده با گرافیت ، پلاستیکها ، پرپلکس و... موادی هستند که برای ساخت وسایل نگهدارنده قطعه کار مورد استفاده قرار میگیرند.

 

مزایا و محدودیتهای ماشین ابزار ECM  :

ECM مزایای قابل توجهی را ارائه می دهد. این فرآیند میتواند اشکال بسیار پیچیده و منحنی شکل را دریک مرحله ماشینکاری ایجاد نماید. تنها از یک ابزار برای ماشینکاری تعداد زیادی قطعه میتوان استفاده نمود ، بدون اینکه این ابزار شکل و سایز خودش راازدست بدهد.از لحاظ تئوری عمر ابزار در ECM خیلی طولانی است. این  فرآیند چند مزیت دارد از جمله اینکه توانایی ماشینکاری قطعه کار مسقل از خواص فیزیکی و مکانیکی آن است. سطوح ماشینکاری شده بدون تنش و پلیسه با پرداخت سطح خوب مقاومت بهتر در برابر خوردگی و دقت بهتررا میتوان با این فرآیند ایجاد نمود. این فرآیند دورریزکمتری ایجاد کرده ، کارکردی اتوماتیک دارد و کل زمان ماشینکاری و هزینه های  مربوط به انبارداری را نیز کاهش می دهد.

ECM محدودیتهای خاص خود را دارد و تنها میتواند برای موادی که رسانای الکتریسیته هستند به کاررود. علاوه براین دقت قطعات ماشینکاری شده به عواملی مانند طرح ابزار، مقدار کنترل اعمال شده بر فرآیند ، پیچیدگی اشکال تولیدی و .... بستگی دارد. ماشینکاری موادی که دارای نقاط سخت ، ذرات ناخالص ، ماسه و پوسته باشند مشکلات اجرایی را ایجاد میکند. ECM تحت بعضی شرایط قادر به تولید اقتصادی تلرانس های ابعادی مطلوب در قطعه کار نیست. این فرآیند نمیتواند گوشه ها و لبه های تیز ایجاد کند. به منظور غلبه براین مشکل محققان بطور مداوم درگیربهبود تکنولوژی سیستم و تجهیزات ECM هستند.

 

کاربردهای ماشین ابزار ECM  :

سالهاست اصول ECM برای انجام عملیاتهای ماشینکاری متعددی بکار گرفته شده که چند نمونه از آنها عبارتند از: گرد تراشی (تراشکاری)،واشربری،خان کشی،سنگ زنی،مته کاری سوراخهای ریز،قالب سازی،سوراخ کاری،پلیسه زدایی و برش سنبه ای،این فرآیند بطوروسیعی درصنایع مرتبط باهواپیمایی،تکنولوژی هسته ای، سفینه های فضایی،خودروها، توربین ها وغیره استفاده میشود. مثال هایی از کاربرد هایECM عبارتند از: ماشینکاری پره های توربین از جنس آلیاژهای محکم ومقاوم در مقابل حرارت، کپی کاری سطوح داخلی و خارجی،برشکاری شیارهای منحنی الخط ، ماشینکاری قطعات پیجیده، تولید مقاطع منحنی دار طویل،ماشینکاری چرخ دنده ها،تولید صحیح وبدون عیب نازل تیغه دار برای مصرف در لوکوموتیوهای دیزلی،تولید رینگ های استلیتی و شاتون،ماشینکاری دیافراگم های نازک با قطر زیاد و.... .

این فرآیند بیشتر مورد توجه کسانی قرار گرفته که با ماشینکاری مواد سخت وچقرمه مخصوصا برای قطعاتی با اشکال پیچیده سروکاردارند. با وجود این از تمامی توانایی های این فرآیند بدلیل مشکلات طبیعی که در طراحی ابزار وسازگاری با محیط وجود دارداستفاده نشده است.

 

خواص مکانیکی قطعات ماشینکاری شده توسط  ECM  :

آگاهی ازتاثیرات ECM بر خواص مکانیکی قطعاتی که توسط این فرآیند ماشینکاری

شده اند اهمیت بسیاری دارد و به مقدار زیادی بر استفاده از آن در صنایع مختلف تاثیر گذار می باشد.به سختی می توان مدرکی دال بر تردی هیدروژنی قطعات ماشینکاری شده توسطECM یافت. دلیل اصلی این مطلب این است که در حالیکه برداشت فلز دراثر تجزیه آندی درآند صورت می گیرد، هیدروژن در کاتد ظاهر می شود. گزارش شده است که فرآیند مورد بحث تاثیری برشکل پذیری،استحکام تسلیم،استحکام نهایی و میکرو سختی قطعات ماشینکاری شده ندارد.

لایه های سطحی صدمه دیده در حین ماشینکاری قراردادی یا توسط فرآیندهای دیگر را

می توان با استفاده از این فرآیند برداشت و به این ترتیب خواص قطعه کار را بهبود بخشد.

با وجود این، برداشت لایه ها به این طریق از سطح قطعه کار استحکام خستگی قطعات ماشینکاری شده را با روشهای قراردادی را کاهش می دهد. سطوحی که به روش قراردادی ماشینکاری شده اند دارای تنش های پس ماند فشاری هستند که باعث استحکام خستگی بالاتر آنها میشود. این حقیقت بطور تجربی مورد تائید قرارگرفته است. با این حال،استحکام خستگی مورد نیاز را میتوان بعدها دوباره با عملیات مناسب پرداخت مکانیکی دیگری ایجاد نمود. عملیاتهای مکانیکی بعدی در سطح قطعه تنش های فشاری ایجاد می کند. بطوریکه قطعه کار نهایی میتواند خواص خستگی را به گونه ای که قابل مقایسه و یا بهتر از خواص خستگی قطعاتی که به صورت مکانیکی پرداخت شده اند به نمایش بگذارد. پرداخت سطح ایجاد شده توسط ecm ممکن است عامل کاهش خواص خستگی نیز باشد. سطح تولیدی با ecm عموما خواص سایشی ، اصطکاکی و مقاومت در برابر خوردگی بهتری نسبت به سطوحی که توسط روشهای مکانیکی تولید شده اند دارند.

 

 

 

 

نتيجه‌گيری

از يک سو در مسايل عملی هنگامی که فرضهاي ساده سازي مجاز نباشند بررسی‌های تحليلی بسيار مشکل و در بيشتر اوقات ناممکن می‌باشند و از سوی ديگر در دنيای پررقابت امروزی شايد برای سعی و خطا جايگاه ارزنده‌ای وجود نداشته باشد از اينرو تنها روشهای عددی هستند که می‌توانند مشکلات را حل کرده و هزينه‌ها را تا اندازه زيادی کاهش دهند. در اين پژوهش برنامه شبيه سازي نوشته شده با بهره‌جويی از روش عددی اجزاء محدود در محيط نرم افزار ANSYS و استفاده از يرخي نرم افزار هاي ديگر مانند MATLABامکان شبيه‌سازی، نزديک به واقعيت، فرآيند پيچيده ماشينکاری الکتروشيميايی را نشان ميدهد. دستاوردهای ماشينکاری پره توربين نشان از آن دارد که اين رويکرد به زيبايی از کنار سختی‌های مربوط به محاسبه پاسخ معادلات حاکم بر فيزيک فرآيند در هندسه‌های پيچيده گذشته و فرآيند را بصورت مجازی باز آفريني مينمايد و در نتيجه ما را از صرف كردن هزينه هاي بسياري از جمله هزينه هاي اقتصادي ، زماني و خطاي انساني در طراحي قالب براي  انجام فرايند صحيح معاف ميدارد .

ارسال نظر

عنوان نظر :
نام شما :
ایمیل :