ماشین کاری با تخلیه الکتریکی-EDM یا اسپارک

ماشین کاری با روش تخلیه الکتریکی(EDM) یکی از روش های تولید مخصوص است که کاربرد وسیعی یافته است. در این روش برای براده برداری هیچگونه تماس مستقیمی بین قطعه کار و الکترود بر قرار نمی‌شود و در نتیجه نیروی فیزیکی نخواهیم داشت. آهنگ جداشدن فلز یا براده برداری به رسانایی الکتریکی قطعه کار بستگی دارد نه سختی آن.
زمانی که بین دو اتصال الکتیریکی جرقه ای زده می شود مقدارماده از هر یک از اتصالات برداشته میشود.با پی بردن به این واقعیت تلاشهایی در راستای مهار نمودن و کنترل انرژی جرقه برای به خدمت گرفتن آن در جهت اهدافی مفید نظیر ماشینکاری فلزات صورت گرفت.از این تلاش ها این نتیجه به دست آمد که به منظور دستیابی به یک ماشیکاری موثر جرقه های کوتاه مدت و بافرکانس بالا مورد نیاز هستنند.علاوه بر این مشاهده شد که اگر تخلیه الکتیریکی در یک دی الکتیریک صورت گیرد میتوان انرژی را در محدوده کوچکی متمرکز نمود. با زدن جرقه از یک سو و پیشروی ابزار به سمت قطعه کار از سوی دیگر (به صورت ارتعاش رفت و برگشتی با فرکانس بالا) به مرور زمان شکل ابزار در قطعه کار براده برداری می شود. هر جرقه درجه حراتی بین ۸۰۰۰ تا ۱۲۰۰۰ درجه سانتیگراد تولید می کند . اندازه چاله ای که هر جرقه از قطعه بار برمی دارد به میزان انرژی جرقه بستگی دارد که مهمترین عامل موثر منبع تامین جریان است عمق چاله به وجود آمده از چندین میکرون تا ۱ میلیمتر متفاوت است.

در فرآیند EDM از یک خازن برای ایجاد جرقه استفاده می شود که با جریان مستقیم DC شارژ میشود. به محض این که پتانسییل در فاصله بین الکترود ها از ولتاژ شکست بیشتر می شود جرقه زنی در نقطه ای که کمترین مقاومت الکتیریکی را دارد اتفاق می افتد.بعد از هر بار تخلیه الکتیریکی خازن دوباره شارژ میشود و جرقه در کمترین فاصله بعدی رخ می دهد.در این فرآیند معمولا الکترود بار منفی و قطعه کار بار مثبت دارد که به این حالت نرمال و به حلتی که الکترود بار مثبت و قطعه کار بار منفی داشته باشد را معکوس میگویند.در این فرآیند جریان DC پالسی با ولتاژ ۱۰۰-۸۰ ولت و فرکانس KHz 5 از الکترودها عبور داده می شود.

اساس این روش:
این روش برای ماشین کاری کلیه مواد هادی جریان به کار می رود با هر مقدار سختی که داشته باشند و از چهار بخش تشکیل می شود:
۱- الکترود
۲- قطعه کار
۳- سیال دی الکتریک
۴۴- منبع تامین جریان

الکترود ها :

 ماده ای که به عنوان الکترود مورد استفاده قرار می گیرد باید خصو صیات مطلوبی از جمله : ۱-سهولت ماشینکاری. ۲- نرخ سایش پایین ابزار. ۳-هدایت خوب الکتریسیته و گرما. ۴- ارزانی و به آسانی در دسترس بودن .

موادی و آلیاژهایی که به عنوان الکترود مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از :

 ۱- مس :پایداری بالا و نرخ سایش نسبتا پایین ۲-تنگستن مس دار: نرخ سایش پایین , گرانی ومشکل در شکل دادن که بیشتر در وایرکات مورد استفاده قرار می گیرد.۳- گرافیت: به راحتی قابل ماشینکاری , نرخ سایش پایین و هدایت بالا ۴- آلومینیم ریختگی و بر مس دار و تنگستن نقره دار.

امروزه درآمریکا برای انتخاب جنس الکترود،گرافیت بیشترین مصرف را دارد.اگرتفاوت بین گریدهای گرافیت شناخته نشده باشند، انتخاب بهترین گرید گرافیت برای یک کاربرد خاص مشکل خواهد بود.انتخاب گرافیت می تواند عامل کلیدی در موفقیت یاشکست نتایج خواسته شده از تجهیزات باشد. درچند سال گذشته خیلی از گریدهای کلاس نرم (Fine) (اندازه ذره ۱۱ تا ۲۱ میکرون) نیز از بازار حذف شده اند.فقط کلاس خیلی نرم ( Super Fine ) (اندازه ذره بین ۶ تا ۱۰ میکرون)پایدار مانده اند.کلاس مافوق نرم ( Ultra Fine ) (اندازه ذره ۱ تا ۵ میکرون) نتیجه تلاش های صورت گرفته درتوسعه گرافیت است. برای تولید خیلی از محصولات پلاستیکی،قالب هایی با اجزاء ظریف و پرداخت شده لازم است که بسادگی می توان بامواد مافوق نرم تولید کرد.مواد دراین کلاس خیلی گران و مشکل ساخته می شوند.گریدهای محدودی در کلاس انگستروم هستند( اندازه ذره کمتر از ۱ میکرون).به منظور کنترل یکنواختی گرافیت،این گریدهادربلوک های کوچکی ساخته می شوند و استفاده از آنها نیزبسبب قیمت بالا محدود است.عموما از آنهابرای الکترودهای حکاکی اجزاء ظریف و اشکال کوچک که پرداخت سطح بالایی لازم دارند و امکان پولیش قالب وجود ندارد استفاده می شوند. انتخاب گرافیت در بدست آوردن عملکرد بهینه از دستگاه اسپارک بسیار موثراست.تجهیزات نمی توانند به کیفیتی بالاتر از آنچه که گرافیت اجازه می دهد برسند.پرداخت سطح قالب، آینه شکل سطح الکتروداست.بنابراین گریدها با اندازه دانه بزرگ و متخلخل نخواهند توانست مانند گریدهای فوق نرم سطوحی با کیفیت پرداخت عالی را ایجاد کنند.

صافی سطح در ماشینکاری EDM :

صافی سطح به ابعاد جرقه تولیدی بستگی دارد. هر چه جرقه قوی تر باشد سطح خشن تر ولی سرعت ماشین کاری خیلی بیشتر خواهد بود. با این روش به صافی Ra 0.10 می توان رسید، سطحی که مثل آینه عمل می کند. صافی سطح های استاندارد معادل Ra 0.8/1 (N5 – N6) می باشد. بسته به انرژی جرقه سرعت بار برداری از ۱ تا چند صد میلیمتر مکعب بر دقیقه می‌باشد.
اضافه می شود که جرقه حداقل باید ۵۵ سانتیمتر زیر دی الکتریک زده شود تا خطر اشتعال را در پی نداشته باشد چون انرژی جرقه بسیار بالا است.

دی الکتریک

در ابتدای کشف اسپارک در روسیه از هوا بعنوان دی الکتریک استفاده شد. بزودی کشف شد که مشتقات نفت مزایای زیادی نسبت به هوا دارند. استحکام آنها زیاد است. و با استفاده از مشتقات نفت از گپ کوچکتری میتوان استفاده کرد و کیفیت اسپارک کاری با آن بسیار مطلوب است. در این نوع مواد فرکانس کار اسپارک میتواند بیشتر گردد و ذرات برداشته شده براحتی توسط آن جابجا میشوند.

وظایف دی الکتریک

·       جداسازی یکی از مهمترین فوائد دی الکتریک عایق سازی بین الکترود و قطعه کار است. دی الکتریک باعث باریک شدن پهنای کانال جرقه نیز میشود که این به نوبه خود باعث بالا رفتن کیفیت سطح اسپارک میشود.

·       یونیزاسیون سیال انتخاب شده باید تازمان وقوع شکست الکتریکی غیر رسانا باقی بماند. زمانیکه ولتاژ فاصله هوائی به ولتاژ یونیزاسیون رسید ، سیال باید سریع بشکند ( شکست الکتریکی ) و پس از عمل تخلیه باز سریع غیر یونیزه گردد. گرمای نهان تبخیر سیال باید بزرگ باشد تا تنها یک قسمت کوچکی از دی الکتریک تبخیر شود و کانال اسپارک سطح کوچکی را به خود اختصاص می دهد. در نتیجه آن چگالی انرژی بالا میرود و دانه بندی اسپارک ریزتر گردد.

·        خنک سازی دمای جرقه اسپارک در سطح الکترود و قطعه کار مقداری بین ۸,۰۰۰-۱۲,۰۰۰° C دارد این گرمای بالا قطعه کار را سریع ذوب میکند که دی الکتریک باید هر دو سطح را خنک سازد. اگر الکترود خنک نگه داشته شود خوردگی آن نِیز کاهش مِی یابد.

·        جابجائی ذرات براده برداری شده

در انتخاب روغن مناسب بعنوان دی الکتریک نکات زیر باید مورد توجه قرار گیرند:

۱٫     برای ماشینکاری کاربیدتنگستن استفاده از نفت سفید مناسبتر است.

۲٫     برای ماشین کاری قطعات ریز با سطوح صاف ( مثل صنعت ساعت سازی ) نیز از نفت سفید استفاده شود.

۳٫     برای ماشین کاری قطعات با اندازه های متوسط ( که h35  یا آنهائی که صافی سطح خوبی را لازم دارند ) از روغن با ویسکوزیته بین ۶-۱۲cts استفاده شود.

۴٫     برای ماشینکاری قطعات بزرگ ( با سطوح خشن  یا ch36 ) از روغن با ویسکوزیته بین ۱۲ تا ۲۰cts استفاده گردد.

روغن مخصوص EDM

این نوع از روغن ویسکوزیته پائین بوده و رنگ روشن دارد و همچنین براحتی فیلتر شده و براحتی جابجا می شود. نقطه اشتغال بالائی نیز دارد از جمله خواص دیگر این ماده ضد اکسید اسیون بودن آنست که رسوب را کاهش می دهد.کمیابی و گران قیمت بودن و غیر استاندارد بودن انواعی از آن از جمله مشکلات این روغن یا دی الکتریک مخصوص است.

روشهای مختلف شستشو توسط مایع دی الکتیریک:

 ۱-مکش از داخل الکترود ۲- مکش از داخل قطعه ۳-فشار از داخل الکترود ۴- فشار از داخل قطعه ۵- شستشو نا جت ۶- حرکت متناوب الکترود.

فرآیند EDM شش مرحله دارد:
۱-الکترود به قطعه کار نزدیک شده. هر دو بار دار میشوند (معمولا قطعه کار مثبت و الکترود منفی)
۲۲-چون سطح الکترود و قطعه کار هر دو در اشل میکرونی دارای پستی و بلندی می باشند بنابراین بین دو نقطه که نزدیکترین فاصله را نسبت به جاهای دیگر با هم دارند جرقه الکترونی شکل می گیرد.
۳- کانال پلاسما شکل می گیرد.
۴- در اثر تمرکز بالای کانال پلاسما چاله ای از قطعه کار ذوب می شود.
۵۵- فشار کانال پلاسما بسیار بالا است .با قطع شدن جرقه و در پی آن قطع شدن کانال پلاسما چون مذاب در آن دما و فشار نمی تواند دوام داشته باشد به یکباره با حالت انفجاری به اطراف پراکنده می شود.
۶۶-دی الکتریک با شستشوی خود ذرات پراکنده شده را جمع آوری می‌کند.

اسپارک کاری دقیق و سریع Fast and Accurate EDM

ماشین کاری با EDM روشی است که در آن از فلزات با روش تخلیه الکتریکی میتوان براده برداری کرد . اسپارک عمل موضعی است که با تناوب زمانی، براده ها را به صورت حجم های فلزی کوچک (آرد مانند) بتدریج از سطح قطعه کار جدا می سازد. موضوع دیگری که باید در مورد آن توضیح داده شود موتور خطی (liner motor ) می باشد . موتورهای خطی اساسا مانند یک موتور معمولی دوار هستند که از یک طرف در طول بریده شده باشد و آن را به صورت مسطح (گسترده) درآوریم . در اینجا بحث در مورد موتورهای خطی است که از سرعت بسیار بالای (۳۶ m/min) برخوردار هستند که در ماشینهای اسپارک شرکت SODICK استفاده شده اند که نسبت به همه موارد فوق از دقت و حساسیت فوق العاده ای باید برخوردار باشند . شرکت SODICK در اسپارک های مدل AM35L و Aφ۳۵L از این موتورها بجای سیستم های هیدرولیکی و پیچی استفاده کرده است. این شرکت به مزایای موتورهای خطی در پارامترهایی نظیر سرعت و تنظیم پی برده بود . اسپارک های مجهز به موتورهای خطی قادرند سریعتر ، دقیق تر و عمیق تر از سایر اسپارک ها که موتور خطی ندارند براده برداری کنند . برای مثال یک اسپارک که با موتور خطی کار می کند می تواند یک حفره (cavity) به عمق ۷۰mm را در ۲ ساعت وچهل دقیقه براده برداری کند در حالی که در همان شرایط از لحاظ ابعاد الکترود و سایر پارامترها ، ماشینهای مرسوم و قدیمی با صرف زمانی به اندازه ۲ ساعت تا عمق ۴۰mm براده برداری میکنند . در کل موتورهای خطی در اسپارک به قدری سریع محور Z را حرکت می دهند که میتوان چنین تصور کرد که ماشین کاری حفره های عمیق نیازی به زمان شستشو ندارند . موتورهای خطی همراه با کنترل کننده های (SMC) نه تنها سرعت و دقت را مهیا میسازند (مثلا در مدل AM35Lبا دقتی به اندازه mm 0001/0 و تعداد کورس ۱۴۴۰ کورس در دقیقه) بلکه آنها دارای حرکت آرام و یکنواختی بوده وارتعاشات را کاهش داده و باعث خفه نمودن صداها میشوند . علاوه بر تمام موارد فوق ، آنها از پیچ ساچمه ای (ball scrow) استفاده می کنند و در عمل لقی پیچ و مهره حذف می شود . فایده دیگر این است که چون در استفاده از موتورهای خطی هیچ گشتاوری اعمال نمیگردد و چرخش محور وجود ندارد ، بنابراین سازندگان (این نوع اسپارک) با مشکلاتی که سازندگان سایر ماشینهای ابزار با آنها روبرو هستند مواجه نمی شوند. ماشین اسپارک مدل AM35L یک میز ثابت دارد که هد آن بر روی یک پل متحرک قرار گرفته است و علاوه بر محور Z موتورهای خطی محور X و Y را هم حرکت می دهند . در محور Z ماشین از نوعی سرامیک که ساخت خود شرکت Sodick می باشد استفاده شده است که ساختمان دستگاه را سبک تر ساخته و کاملا صلب و پایدار در مقابل حرارت می باشد . آهن رباهای موتور در دو طرف ستون سرامیکی جاسازی شده اند و ستون ثابت تشکیل شده از یک سیم پیچ (coil) که این سیم پیچ در واقع یک منبع تولید گرما میباشد . با توجه به گرمای تولید شده ، Sodick از کشوی سرامیکی استفاده کرده است که بتواند تغییر شکل های حرارتی را به حداقل رسانیده و صلابت هد را ثابت نگه دارد . در این کشوی سرامیکی با یک سیستم خنک کننده ، دما در حد رضایت بخشی نگه داشته می شود و برای جلوگیری از پایین افتادن محور Z هنگامیکه نیروهای مغناطیسی وجود ندارند یک سیلندر هوایی وزن هد و الکترود را تحمل میکند . حرکت عمودی فوق العاده سریع الکترود (۳۶ m/min = 600mm/sec) همراه با ۳۰۰۰N نیرو درون حفره تلاطمی به وجود می آورد که براده های جدا شده از سطح براده برداری شده را بدون شستشوی آنها به حرکت در میآورد و از حفره خارج می کند . البته عدم شستشو به این معنی است که ماشین می تواند بدون نیاز به تنظیم کردن شیلنگ شستشو توسط اپراتور کار خود را ادامه دهد . ماشین های AM35L از مقیاس گرهای شیشه ای نصب شده بر روی بدنه ستون استفاده می کنند که فقط برای تنظیم بینهایت دقیق ، طرح و برنامه ریزی شده اند .

کاربردهای روش ماشینکاری EDM :

برای ماشینکاری هر ماده (سخت، سفت، ترد، نوظهور و…) به کار گرفته می شود به شرطی که آن ماده از یک حداقل هدایت الکتیریکی برخوردار باشد.ساخت قالب های فولادی سخت شده ،ایجاد حفره های کامل و سوراخ های مینیاتوری ساخت اجزای قالب تزریق پلاستیک ،ریخته گری ، آهنگری ، حدیده کاری ، فرم دادن و… به کار می رود.همچنین امکان استفاده از مواد با دوام تر برای قالب ها نظیر کاربید و فولاد سخت شده را فراهم میکند . از کاربرد های دیگر مانند خارج نمودن قلاویز ها، مته ها، پیج ها، برقوها و پین های شکسته شده   که میتوان از آن به عنوان اولین کاربرد های اسپارک نام برد.

مزایای روش ماشینکاری EDM :

  از مزایای زیاد دستگاه اسپارک می توان به دو مورد مهم اشاره کرد :
اول آنکه ماشین کاری روی فلزات سخت ، دشوار و در بیشتر اوقات غیر ممکن می باشد ولی به وسیله این دستگاه به سادگی امکان پذیر است .
دوم آنکه ایجاد حفره ها یا بر آمدگی غیر متقارن و غیر هندسی که به وسیله ابزار های رایج براده برداری غیر ممکن است ، به سادگی بوسیله اسپارک انجام پذیر می باشد .

معایب روش ماشینکاری EDM :

آلودگی محیط زیست به دلیل استفاده از مواد نفتی به عنوان مایع دی الکتیریک ،سرعت پایین این روش از ماشینکاری ،قیمت بالای فرآیند نسبت به روشهای سنتی ،اپراتوری سخت آن و …