آشنایی با فرآیند های ماشین کاری غیرمرسوم

آشنایی با فرآیند های ماشین کاری غیرمرسوم
آن دسته از فرآیندهای تولید که با تشکیل تراشه در اثر برش– فشار روی قطعه همراه هستند، اثرات نامطلوب و محدودیت های ماهوی دارند. با اینکه غالباً تشکیل تراشه لازم است، لیکن فرآیندی پرهزینه ودشوار می باشد. مقادیر زیادی انرژی صرف تولید محصول ناخواسته ای به نام تراشه می شود و انرژی وسرمایه بیشتری برای جابجایی، ازبین بردن یا احیای مجدد این تراشه ها مورد نیاز است.   

مقادیر ناخواسته ای گرما و نیرو تولید می شود که مسائل اعوجاج و ترک های سطحی قطعه را به دنبال دارد. نیروهای برشی موجب اشکالاتی در نگهداشتن قطعه کار شده وبرخی اوقات موجب اعوجاج آن می شوند و بالاخره محدودیت های مشخصی دررابطه با ظرافت قطعه تراشیدنی مطرح می شود. بخاطرچنین محدودیتهای مشخص کننده ای، جای تعجب نیست که در سال های اخیر نیروی فکری و پژوهشی فراوانی صرف بوجود آمدن و پیشرفت فرآیندهایی برای جایگزینی فرآیندهای ماشین کاری متداول شده است. فرآیندهای تولید غیرمرسوم (NTM ) نمونه ای از خانواده فرآیندهای متنوع تولید هستند که اساساً غیر مکانیکی بوده، هیچ گونه تراشه یا نقش روی سطح بوجود نمی آورند و غالباً در برگیرنده اشکال جدیدی از انرژی هستند.

فرآیندهای غیر مرسوم به چهار دسته اصلی تقسیم می شوند :
1) شیمیایی    2) الکتروشیمیایی    3) مکانیکی    4) حرارتی
که ما در اینجا به اختصار فرآیندهای الکتروشیمیایی و حرارتی را مورد بررسی قرار می دهیم.

ماشین کاری الکتروشیمیاییدر ماشین کاری

الکتروشیمیایی (ECM)  از یک محلول آندی و یک الکتریک که سریعاً مصرف می شود، برای برداشتن فلزاز سطح قطعه استفاده می شود. این فرآیند اصولاً آبکاری معکوس است که در آن قطعه کار خام مثبت و ابزار قطب منفی هستند. آندو کاتد هر دو باید هادی جریان برق باشند. با پمپاژ کردن سریع الکترود از داخل یا در اطراف ابزار، محصولات ماشینکاری از محل دور شده و جذب صافی ها می شوند. شکل حفره تصویر آیینه ای ابزار است. این حفره بوسیله سرور مکانیزمی که شکاف بین الکترودها ( غالباً003 /0 تا 03 /0 اینچ) را کنترل می کند، شکل می گیرد. سرعت ثابت تغذیه ابزار به طرف قطعه کار متناسب با محلول
شیمیایی و نرخ آبکاری معکوس قطعه کار انتخاب می شود. الکترولیت ها غالباً محلولهای نمک های معدنی، هادی خوب جریان برق مانند کلرید سدیم، کلریدپتاسیم یا نیترات پتاسیم هستند و در دمای تقریبی 90 تا 125 درجه فارنهایت با شدت جریان بین 50 تا 200 فوت بر ثانیه عمل می کنند. غالباً ابزار ازجنس مس یا برنج و برخی اوقات فولاد زنگ نزن است. نرخ برداشتن فلز تابع چگالی جریان است. مقدار چگالی جریان معمولاً بین 1500 تا 2000 آمپر بر اینچ مربع است که طی آن نرخ برداشت فلز به 1/0 اینچ مکعب در دقیقه بر هزار آمپر می رسد. از آنجا که سرعت تراش فقط تابع نرخ تبادل یون ها است، سختی و چقرمگی
ماده تاثیری بر نرخ ماشین کاری ندارد.
فرآیند ماشین کاری الکتروشیمیایی روش بسیارمناسبی برای تولید انبوه مواد هادی جریان برق به شکل های پیچیده که تراشیدن آن با روش های متداول ماشین کاری دشوار است، می باشد. هزینه اصلی ابزاربندی، تهیه
الکترودهای ابزار است که بسیار وقت گیر و پر هزینه می باشد و بجز در مورد شکل های ساده مهندسی مستلزم چندین بار ساخت و آزمایش است. از آنجا که ابزار تحت محافظت کاتدی قرار دارد، فرسایش ابزار در حین عملیات تراشکاری صورت نمی گیرد. سطح تولید شده با این روش عاری از تنش است. توانایی همزمان ایجاد یک حفره کامل نیز قابل توجه است. برای تحصیل خورندهای کوچک، کنترل دقیق فرآیند ضروری است و ابزار باید به گونه ی طراحی شود تا تغییرات چگالی جریان در اثر تغییرات هندسه الکترود یا الکترولیت را جبران نماید. فرآیند ماشین کاری الکتروشیمیایی در این است که در مورد اول تغذیه ابزار متوقف می شود. کاهش چگالی جریان و نرخ جریان الکترولیتی موجب کاهش چشمگیر نرخ برداشت ماده می شود، بطوریکه پرداخت سطح بطور متعارف به حدود10 تا 12 میکرواینچ می رسد.


فرآیند مته‌کاری الکتروشیمیایی
در مته کاری الکتروشیمیایی ازولتاژ زیاد و الکترولیت های اسیدی استفاده می شود و برای مته‌کاری
سوراخ های بسیار کوچک طراحی شده است. ابزار به شکل یک شیپوره شیشه ای کشیده با الکترود داخلی است. با استفاده از چندین مجموعه از این لوله های شیشه ای می توان بیش از 50 سوراخ در هر نوبت تولید کرد. از این روش بخوبی در مته کاری سوراخهای مجاری خنک کننده در پره توربین های موتور جت استفاده می شود. تولید سوراخهای عاری از تنش با قطر های 004 /0 تا  03 /0 اینچ و نسبت عمق به قطر50 روی قطعات آلیاژی کبالت و نیکلی با این روش کاملا عادی است. اسیدموجود، فلزات حل شده را بجای تولید سرباره به محلول هدایت میکند. از این روش می توان برای مته کاری سوراخ های شکل دار
بر روی قطعات هادی جریان برق که مته کاری آنها با روش های متداول ماشین کاری دشوار است، استفاده کرد. تولید سوراخ هایی تا عمق 24 اینچ با قطرهای 02/0 تا 05 /0اینچ با این روش امری بسیار عادی است. تفاوت های عمده این روش با روش مته کاری گفته شده در بالا، ولتاژ کمتر ( بین 5 تا 10 ولت DC )، الکترودهای ویژه بلند و مستقیم و لوله های مقاوم در برابر اسید با پوششی از عایق شده و دیواره سوراخ به مخزن باز می گردد.

فرآیند سنگ زنی الکتروشیمیایی
سنگ زنی الکتروشیمیایی (ECG) نوعی فرآیند ماشین کاری الکتروشیمیایی است که الکترود ابزار آن
یک چرخ سمباده گردان الماسی با چسب فلزی است. با برقراری جریان الکتریکی بین قطعه کار و چرخ در الکترولیت، سطح فلز به اکسیدفلزی تبدیل و بوسیله مواد ساینده زدوده می شود. همگام با برداشته شدن سطح اکسید شده، سطح زیرین تازه نیز اکسید و برداشته می شود. در این فرآیند ولتاژ پایین و شدت جریان بالاست. نرخ برداشت فلز تابع عوامل متعددی است. چسب فلزی چرخ در حکم کاتد است.چرخ های مورد استفاده در فرآیند سنگ زنی الکتروشیمیایی باید در ضمن ساینده بودن هادی جریان برق نیز باشند. در بیشتر موارد از چرخ هایی از جنس اکسید آلومینیوم با چسب صمغی استفاده می شود. چسب صمغ حاوی مقداری مس جهت هدایت جریان برق است. مقاومت الکتریکی نیز باید ناچیز باشد. چرخ ها را می توان به روش های مختلف تیز کرد و برای عملیات سنگ زنی فرم دقیق مورد استفاده قرار داد.
نقش ماده ساینده افزایش کارآیی فرآیند و حفظ پیوستگی سنگ زنی الکتروشیمیایی است. ذرات ساینده غالباً مواد عایق الکتریکی مانند اکسید آلومینیوم، الماس، یا بورازون ( CBN ) هستند و بصورت فضای غیر هادی بین الکترودها ( با ضخامت 0/0005 تا 003 /0 اینچ ) عمل می کنند. درصورت نبودن فضا اتصال مرده ای بین الکترودها رخ می دهد. علاوه بر این، ذرات ساینده محصولات تراش را از محیط عمل دور می کنند و هنگامی که چرخ با قطعه کار تماس حاصل می کند ( بخصوص در حالتی که جریان
برق متوقف می شود ) قدری تراشه بر می دارد. در شرایط مناسب کمتر از 5 درصد ماده به روش تراشه برداری معمولی برداشته می شود. از این فرآیند برای شکل دادن و تیز کردن ابزار تراش از جنس کاربید استفاده می شود که در سنگ زنی معمولی موجب فرسایش سریع ابزار الماسی گران قیمت می شود.
سنگ زنی الکتروشیمیایی به شدت این فرسایش ابزار را کاهش می دهد. قطعات ظریف ( ساختارهای کندوی عسل )، سوزن های جراحی و قطعات مونتاژی پره های توربین ها بخوبی با این روش تولید می شوند.
پرهیز از خسارت حرارتی و نبودن زایده ها و تنش های جا مانده، فرسایش کمتر چرخ و نرخ برداشت فلز
بسیار بیشتر نسبت به فرآیندهای متداول سنگ زنی از ویژگی های عمده این روش بشمار می آیند.

فرآیند های حرارتی
فرآیند ماشین کاری با تخلیه الکتریکی (EDM )
در فرآیند ماشین کاری با تخلیه الکتریکی فلز در اثر جریان تخلیه الکتریکی که در یک خازن در امتداد شکاف باریک بین ابزار ( کاتد ) و قطعه کار ( آند ) ذخیره شده است، برداشته می شود. در هر ثانیه هزاران جرقه تولید می شود و هر جرقه با ذوب کردن و تبخیر ماده دهانه کوچکی تولید می کند. به این ترتیب شکل مورد نظر بر روی قطعه بوجود می آید. مایع غیر هادی برق ( معمولاً نفت های سبک ) تراشه ها را
خارج کرده و جرقه را محدود می سازد. هیچ یک از فرآیندهای فلزکاری استقبال صنعتی این فرآیند را بدست نیاورده اند.
در فرآیند ماشین کاری با تخلیه الکتریکی هر جرقه دارای مقدار معلوم و قابل کنترلی انرژی است، به این ترتیب با کنترل دقیق اندازه می توان نرخ برداشت فلز و پرداخت سطح حاصل را پیش بینی کرد. حرارت تولید شده بوسیله جرقه، فلز را ذوب می کند و ضربه جرقه موجب کنده شدن فلز، تبخیر احتمالی و باز ریخته
شدن آن به شکل کره هایی درسیال غیر هادی برق می شود. معکوس شدن جهت جرقه و تراشه های تخلیه نشده موجب بروز جرقه در ابزار و سپس فرسایش و باریک شدن آن می شود. این روش در مقایسه با روش های متداول کند است. علاوه بر این سطح حاصله مات باحفره های بسیار ریز است. فاصله بین سطح الکترود و سطح کار نمایانگر اضافه برش است و با طول جرقه که صرفنظر از اندازه و شکل روی تمام سطح الکترود ثابت است، مساوی می باشد. اضافه برش تابعی از جمع ولتاژ شکاف و اندازه تراشه است. در میان مواد گوناگونی که به عنوان الکترود مورد استفاده قرار می گیرند، گرافیت بهترین و مناسب ترین ماده
ابزار این روش شناخته شده است.


فرآیند ماشین کاری با پرتولیزری
ماشین کاری با پرتولیزری ( LBM ) یکی از فرآیندهای غیرمرسوم حرارتی است که در آن از لیزر برای ذوب و تبخیر مواد استفاده می شود. لیزرها از نوع پر انرژی حالت جامد یا گازی هستند و مشخصات نوری قطعه کار تعیین کننده طول موج انرژی نوری مورد مصرف می باشد. محدوده این طول موج از488 /0 میکرومتر در لیزرهای آرگونی تا6/ 10 میکرومتر برای لیزرهای گازی دی اکسیدکربن است.
و اگرایی کوچک پرتو، قدرت اوج زیاد و فرکانس ساده موجب فراهم سازی چگالی توان 10 به توان 5 تا
10به توان 10 وات بر اینچ مربع و قابلیت تولید سوراخهایی به قطر 02 /0اینچ در چند هزارم ثانیه با دقت 001 /0+ اینچ می شود. با این وجود روش فوق برای برداشتن مقدار زیادی فلز مناسب نیست و به قطعاتی با ضخامت کم محدود است زیرا سرعت برش به شدت با افزایش ضخامت کاهش می یابد. انواع لیزر برای بریدن، جوش دادن، عملیات حرارتی و پرداخت لبه از طریق تغییر چگالی قدرت و تنظیم شدت همراه با تنظیم تمرکز و تداوم پرتو خروجی مورد استفاده قرار می گیرند. وجود مواد محافظ در اطراف محل کار با
تجهیزات لیزری ضروری است، زیرا نور لیزر به هر شکل بر بینایی چشم انسان اثرات سوء می گذارد.


منابع :

مواد و فرآیندهای
تولید
مؤلف : ارنست پل دگارمو
مترجمان : دکتر علی حائریان – مهندس مهدی
نوقابی – مهندس فرشید فرشچی

سیستم های کنترل کیفیت
مؤلف : دکتر مهدی
ظهور