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 ۱۷۸۰ 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(۲۵-۵)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:

۱- مولد قدرت

۲- سیستم تغذیه و تمیز کردن الکترولیت

۳- سیستم ابزار و تغذیه آن

۴- قطعه کار و سیستم نگهداری آن

۱- مولد قدرت:

در حین فرآیند ECM یک جریان مستقیم بالا (ممکن است تا ۴۰۰۰۰A نیز باشد) و یک اختلاف پتانسیل الکتریکی پایین(در حدود ۵-۲۵V)در حد فاصل بین دو الکترود مطلوب است تا کنون بالاترین چگالی جریان بدست آمده در حدود ۲۰۰۰۰A/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 ۱mm 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 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.