خانه / مقالات و مطالب آموزشی-ترویجی / مقدمه‌ای بر فرآیند ماشین‌کاری تخلیه‌الکتریکی و بررسی آزمون ماشین‌های آن بر اساس سری استاندارد ISO 11090

مقدمه‌ای بر فرآیند ماشین‌کاری تخلیه‌الکتریکی و بررسی آزمون ماشین‌های آن بر اساس سری استاندارد ISO 11090

تالیف: پویان وحیدی پاشاکی

 شماره مقاله/مطلب آموزشی-ترویجی: ۹۵۰۰۰۴

اعتبار علمی و فنی این مقاله/مطلب آموزشی-ترویجی به تایید مولف/مترجم آن رسیده است و کمیته فنی متناظر ماشین ابزار ایران در قبال آن مسوولیتی ندارد

چکیده

یکی از روش‌های پرکاربرد در ساخت قطعات، روش ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی۱ (EDM) است که براده‌برداری در آن برخلاف روش‌های مرسوم ماشین‌کاری مانند فرزکاری، تراش‌کاری سنگ‌زنی و غیره …. بدون تماس ابزار با قطعه‌کار صورت می‌پذیرد. در این مقاله اصول فرایند EDM، نحوه براده‌برداری و کاربردهای این روش مرور می‌شوند. همچنین شرایط و نحوه آزمون ماشین‌های  EDM  مطابق استاندارد ISO 11090 مورد بررسی قرار می‌گیرد.

 

واژه های کلیدی: ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی، فرآیند EDM، استاندارد ISO 11090

فرآیند  EDM

برای اولین بار یک دانشمند انگلیسی به‌نام پرستیلی در سال ۱۷۶۸ میلادی گزارشی در مورد اثر فرسایشی تخلیه الکتریکی ارائه کرد و در سال ۱۹۴۳ اولین استفاده عملی از این کشف الکتریکی صورت پذیرفت. در این سال دو روس با نام های لازارنکو که در مورد سایش کنتاکتهای الکتریکی تحقیقاتی انجام می‌دادند، یافتند که تخلیه الکتریکی در سیالات عایق نتایج متفاوتی را به دنبال دارد. پس از مدتی با استفاده عملی از این اثر به‌ظاهر مخرب موفق به ساختن اولین نمونه ماشین تخلیه الکتریکی شدند و نام آن را EDM نهادند. در شکل ۱ یک نمونه از ماشین تخلیه‌الکتریکی نشان داده شده است.

۹۵۰۰۰۴-Fig 1
شکل ۱- نمایی از یک ماشین تخلیه الکتریکی [۱]

در فرآیند EDM، براده‌برداری با روش تخلیه الکتریکی و با تناوب زمانی با پدید آمدن جرقه بین ابزار (آند) و قطعه‌کار (کاتد) و به صورت موضعی صورت می‌پذیرد. تخلیه الکتریکی در این فرآیند بین دو الکترود با فاصله  ۵/۰ تا ۰۱/۰  میلی‌متر در یک سیال دی الکتریک به‌وجود می‌آید. اجزای اصلی این فرآیند شامل منبع تولید کننده جریان، سیستم سرو کنترل پیشروی ابزار و واحد چرخش سیال دی‌الکتریک است (شکل۲) . منبع تولید کننده جریان، وظیفه تامین پالس را در یک ولتاژ و جریان مشخص دارد. از آنجا که فاصله بین الکترود ابزار و قطعه‌کار بستر مناسبی برای ایجاد جرقه ایجاد می کند، سیستم سرو کنترل پیشروی ابزار وظیفه کنترل این فاصله را برعهده دارد. واحد چرخش سیال دی‌الکتریک ذرات ماشین‌کاری شده را از منطقه ماشین‎‌کاری خارج می‌کند و توسط فیلتر تعبیه شده در این واحد، پس از تصفیه مجددا وارد سیکل ماشین‌کاری می‌گردد. [۲]

۹۵۰۰۰۴-Fig 2
شکل ۲- اجزای ماشین تخلیه الکتریکی [۲]

مکانیزم براده برداری در فرآیند EDM به این شرح می‌باشد که ابتدا دو الکترود فلزی که یکی از آن‌ها به شکل از پیش تعیین شده و دیگری قطعه کار است در یک سیال دی الکتریک غوطه‌ور می‌شوند. سیال دی الکتریک عموما روغن‌های مبدل سبک یا آب یون زدایی شده می‌باشد که بایستی دارای مقاومت زیادی باشد و تا رسیدن به ولتاژ شکست نارسانا باقی بماند. سپس یک سری پالس ولتاژ بین دو الکترود که با فاصله کوچک جدا شده‌اند، اعمال می‌شود. همانطور که در شکل ۳ مشاهده می‌شود فرآیند تجزیه در یک کانال به قطر ۲۰ میکرومتر صورت می‌پذیرد که علت تجزیه را می‌توان مهاجرت الکترون‌ها از کاتد به آند تحت تاثیر میدان القایی دانست. در ادامه این الکترون‌ها با اتم‌های دی الکتریک برخورد کرده و به‌تبع آن به‌صورت تصاعدی یون‌های مثبت و منفی ایجاد می‌شوند. با افزایش هر چه بیشتر این یون‌ها و الکترون‌ها و حرکت آن‌ها به سمت الکترود‌ها یک جریان به‌وجود می‌آید که در اثر برخورد پی در پی آن‌ها به سطوح الکترود انرژی جنبشی به گرما تبدیل می‌شود. با بالا رفتن تمرکز در کانال پلاسمای ایجاد شده حفره‌ای در قطعه کار ایجاد می‌شود. فشار کانال پلاسما در این وضعیت بسیار بالا است و 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 و ذرات ماشین‌کاری شده به‌و‌سیله سیال دی الکتریک از منطقه ماشین‌کاری خارج می‌شوند. [۲]

۹۵۰۰۰۴-Fig 3
شکل ۳- مکانیزم براده‌برداری در فرآیند ماشینکاری تخلیه الکتریکی [۲]

جرقه‌ها در این فرآیند عموما در مناطقی که میدان الکتریکی موضعی بیشتر است، به‌وجود می‌آیند. در حالت کلی هر جرقه از سه پروسه زمانی تشکیل شده است که شامل زمان تشکیل میدان الکتریکی و یونیزاسیون، زمان روشنی پالس و زمان خاموشی پالس می‌باشد (شکل۴) که از میان آن‌ها نرخ براده‌برداری مستقیما با زمان روشنی پالس در ارتباط است. البته لازم به ذکر است عواملی دیگر نظیر جنس قطعه‌کار نیز تاثیر بسزایی در نرخ براده‌برداری دارد.

۹۵۰۰۰۴-Fig 4
شکل ۴- پروسه زمانی هر جرقه [۳]

کاربرد و مزایای EDM

اگر بخواهیم مزایای ماشین‌کاری با روش EDM  را بررسی نماییم بایستی در اولین مورد به این نکته اشاره کنیم که سختی قطعات در این فرایند اثری ندارد چرا که این فرآیند، یک فرآیند حرارتی می‌باشد و از خواص فیزیکی و نه مکانیکی قطعه تبعیت می‌نماید. این ویژگی سبب شده است که این فرایند برای طیف گسترده‌ای از قطعات مورد استفاده قرار گیرد. از دیگر مزیت این فرآیند می‌توان به ماشین‌کاری قطعات پیچیده با دقت بالا اشاره کرد. همچنین ذکر این نکته ضروری است که خواص مختلفی از جمله نقطه ذوب و گرمای نهان قطعه‌کار در سرعت براده‌برداری با این روش اثرگذار می‌باشد. سوراخ‌کاری، EDM سیمی، تولید قالب و بافت‌دار کردن سطح از کاربردهای این فرآیند است. با روش EDM می‌توان سوراخ‌هایی با قطر بین ۰٫۱ تا ۰٫۵ را ایجاد کرد البته معمولا در آن اضافه برش ۰٫۰۱ تا ۰٫۰۵ به‌وجود می‌آید. نمونه قطعاتی که با این روش تولید می شود در شکل ۵ نشان داده شده است. پدیده مخروطی شدن برای سوراخ‌هایی که نسبت طول به قطر بالایی دارند معمول است ولی چون این نسبت در فرآیند EDM در مقایسه با فرآیندهای دیگر کمتر است بنابراین گزینه مناسبی به حساب می‌آید و به همین دلیل بیشتر در صنعت موتور هواپیما به‌کار می‌رود.

۹۵۰۰۰۴-Fig 5
شکل ۵- نمونه قطعات سوراخ‌کاری شده با روش ماشینکاری تخلیه الکتریکی [۴-۵]

با استفاده از فرایند EDM می‌توان سوراخ‌هایی تا قطر پنج میکرومتر را ماشین‌کاری کرد که اصطلاحا به آن سوپر دریل گفته می‌شود (شکل۶).

۹۵۰۰۰۴-Fig 6
شکل ۶- نمونه سوراخ های ایجاد شده توسط سوپر دریل [۲]

یک فرم خاص از تکنیک EDM، روش برش سیمی یا وایرکات می‌باشد که در آن با استفاده از الکترود سیمی از جنس مس یا برنج که به‌طور پیوسته به منطقه ماشین‌کاری تزریق می‌شود، براده‎برداری صورت می‌پذیرد. دی الکتریک در بیشتر موارد آب یون زدایی شده می‌باشد. این روش کاربردهای متنوعی دارد از آن جمله می‌توان به تولید ابزارهای پرس، قالب‌ها، ساخت الکترود‌ها و… اشاره نمود. در شکل ۷ نمونه‌ای از قطعات تولید شده به این روش نشان داده شده است.

۹۵۰۰۰۴-Fig 7
شکل ۷- نمونه هایی از قطعات ساخته شده به روش برش سیمی یا وایرکات [۶]

با EDM  می‌توان سطح غلتک‌های نورد تسمه، را به نحوی بافت دار کرد که بافت سطحی بسیار پایدار و دقیقی روی تسمه ایجاد شود. اساس این روش به این ترتیب است که غلتک در یک مخزن چرخیده و پیوسته با لایه نازکی از دی‌الکتریک پوشانده می‌شود و یک الکترود به غلتک دور و نزدیک شده و تخلیه الکتریکی پایدار با انرژی بالا به‌وجود می‌آورد. از مزایای بافت دارکردن سطح به روش EDM  این است که بر خلاف فرآیندهای مشابه بافت‌دار کردن سطح مانند شات بلاست کنترل آن آسان است.

در قالب‌سازی با فرآیند EDM، می‌توان اجزای مختلف قالب‌های پلاستیک، لاستیک، چکش‌کاری، اکستروژن، پولک‌زنی و … را تولید کرد. معمولا تکنیک خاصی که در تولید قالب با فرآیند EDM مورد استفاده قرار می‌گیرد چرخش الکترود است. به کمک این سیستم می‌توان مسیر پیچیده‌تر و حتی بزرگتری را نسبت حالت بدون چرخش ایجاد کرد. بدین ترتیب سایش ابزار روی سطح الکترو توزیع شده و مصرف الکترود کاهش می‌یابد. در شکل ۸ نمونه‌ قالب‌هایی که با فرآیند EDM تولید شده، نمایش داده شده است.

۹۵۰۰۰۴-Fig 8
شکل ۸- کاربرد EDM در قالب‌سازی [۷-۸]

برای دستیابی به کیفیت قطعه مطلوب در کاربردهای یاد شده علاوه بر پارامترهای ماشین‌کاری، دقت ماشین از جمله هندسه و موقعیت‌یابی محورهای آن نیز در کیفیت قطعه تولیدی اهمیت بالایی دارند که با بررسی استاندارد ISO 11090 به آن‌ها پرداخته خواهد شد.

محدودیت‌ها و معایب فرآیند EDM

با توجه به ماهیت حرارتی فرآیند EDM مشکل ترک‌های سطحی در این فرآیند همواره مورد بحث بوده است. از عواملی که در این  امر دخیل هستند می‌توان به ایجاد تنش‌های پسماند حرارتی در لایه ذوب مجدد (به شکل ۲ مراجعه شود) که دارای فاز مارتنزیتی است اشاره کرد که این تنش‌های پسماند حرارتی باعث ایجاد میکرو ترک در سطح قطعه می‌شود. عموما با توجه به خاصیت ترد بودن تنش‌های حرارتی ایجاد شده بر روی سطح قطعه به‌وجود آمدن میکرو ترک‌ها اجتناب ناپذیر است (شکل ۹).

۹۵۰۰۰۴-Fig 9
شکل ۹- میکرو ترک‌ها در سطح قطعه تولیدی به روش ماشینکاری تخلیه الکتریکی [۹]

یکی از پارامترهایی که در حرارت ایجاد شده در سطح قطعه‌کار تاثیر دارد انرژی پالس است که می‌تواند که بر محدوده حرارتی متاثر قطعه‌کار اثر گذار باشد. بدین ترتیب هر پارامتری که تاثیر مستقیمی در حرارت ایجاد شده در سطح قطعه داشته باشد می‌تواند موجب تنش پسماند حرارتی شود و به‌تبع آن موجب به‌وجود آمدن میکرو ترک در سطح قطعه‌کار خواهد شود. همانطور که در شکل ۱۰ مشاهده می شود زمان روشنی جرقه و جریان بیشترین را نقش در عدم یکنواختی سطح۲ دارند. در حقیقت سطح ماشین‌کاری شده با فرآیند EDM، از تعداد زیادی از حفره‌ها‌ که یا یکدیگر هم‌پوشانی دارند تشکیل شده است و با افزایش زمانی روشنی پالس و جریان طبیعتا تعداد این گودال‌ها افزایش یافته و شاهد افزایش عدم یکنواختی سطح هستیم. همچنین لازم به ذکر است که زبری سطح به صورت خطی با افزایش نرخ براده‌برداری افزایش می‌یابد.

۹۵۰۰۰۴-Fig 10
شکل ۱۰- اثر زمان روشنی پالس در حفره ایجاد شده در سطح قطعه [۲]

از دیگر محدودیت های فرآیند EDM این است که تنها مواد رسانا قابل ماشین‌کاری هستند و همچنین از گران بودن و توان مصرفی بالا نیز می‌توان نام برد.

مرور آزمون‌های ماشین‌های EDM بر اساس ISO 11090

همانطور که پیش‌تر بیان شد علاوه بر پارامترهای ماشین‌کاری‌، وضعیت دقتی ماشین نیز اهمیت بسیار زیادی در تولید قطعه با کیفیت داراست. به عنوان نمونه اگر موقعیت‌یابی ابزار نسبت به موقعیت‌های مختلف قطعه به‌درستی انجام نشود یا اینکه انحرافی در تعامد بین محور حامل ابزار و محورحامل قطعه‌کار وجود داشته باشد،  طبیعتا در کیفیت نهایی قطعه اثرگذار خواهد بود. بنابراین اگر آزمون‌های مربوط به ماشین‌های تخلیه الکتریکی مطابق با مجموعه استانداردهای “ISO 11090” انجام شود وضعیت دقتی ماشین به‌طور کامل مشخص خواهد شد. همانطور که پیش‌تر بیان شد مجموعه استانداردهای “ISO 11090” با عنوان لاتین

“Test conditions for die sinking electrodischarge machines (die sinking EDM) — Testing of the accuracy”

به شرایط آزمون ماشین‌های EDM اختصاص دارند.

این استانداردها از دو قسمت تشکیل شده‌اند که آزمون‌های هندسی مطابق با پیکر‌بندی‌های مختلف ماشین تفکیک شده‌اند. در قسمت اول آن ماشین‌های تک‌ستونه (نوع میز متحرک و نوع میز ثابت) و در قسمت دوم آن ماشین‌های دو ستونه (کلگی‌کشویی) مورد بررسی قرار می‌گیرند. در ماشین‌های تک ستونه نوع میز ثابت، حرکت‌های X، Y،  Z  همگی با حرکت کلگی تامین می‌شوند درحالی‌که در نوع میز متحرک تنها حرکت Z و W توسط کلگی انجام می‌شود. همچنین در ماشین‌های کلگی کشویی(دو ستونه) حرکت محورهای Z، Y و W توسط کلگی و حرکت محور X توسط میز تامین می‌شود. هر دو نوع ماشین از اجزایی نظیر بستر، ستون، میز، مخزن کاری، ساپورت، کلگی (محور W)، کوییل (محور Z)، صفحه الکترودگیر، اسپیندل (محور C) و الکترود تشکیل شده‌اند. در شکل زیر (الف) ماشین‌ تک ستونه نوع میز ثابت و (ب) ماشین‌ تک ستونه نوع میز متحرک و (پ)  ماشین دو ستونه نشان داده شده‌اند.

۹۵۰۰۰۴-Fig 11
شکل ۱۱- پیکره‌‌بندی‌های مختلف ماشین تخلیه الکتریکی [۱۰-۱۱]

در جدول ۱ آزمون‌هایی که برای ارزیابی دقیق یک ماشین EDM مطابق استاندارد ISO 11090 الزامی است، فهرست شده‌اند. این آزمون‌ها با تجهیزاتی نظیر حسگر جابجایی خطی۲ و سنجه‌ها و… انجام می‌شوند. البته چگونگی انجام آزمون‌ها همگی در این استانداردها به‌تفصیل توضیح داده شده‌ است.

جدول ۱- عنوان آزمون‌های مورد بررسی در استاندارد ایزو ۱۱۰۹۰ [۱۰-۱۱]

شرح آزمون کد آزمون
بررسی مستقیم بودن حرکت محور X. G1
بررسی مستقیم بودن حرکت محور Y. G2
بررسی مستقیم بودن حرکت محور Z. G3
بررسی تعامد محورY نسبت به حرکت محور X  . G4
 بررسی تعامد بین حرکت قائم کوییل (محور Z) و الف- حرکت محور  X؛ ب- حرکت محورY . G5
بررسی تعامد بین حرکت قائم کلگی (محورW) و الف- حرکت محور X  ؛ ب- حرکت محور Y. G6
بررسی انحراف زاویه‌ای حرکت محورZ (کوییل) [حرکت محورW (کلگی)] در صفحه XY . G7
بررسی تختی سطح میز. G8
بررسی توازی بین سطح میز و الف- حرکت محور X  ؛ ب- حرکت محورY . G9
بررسی توازی بین صفحه الکترود‌گیر با الف- حرکت محور X؛ ب- حرکت محورY. G10
بررسی لنگی گلویی اسپیندل:  الف- نزدیک به دماغه اسپیندل؛ ب- در فاصله mm 100  از اسپیندل. G11
بررسی توازی بین محور اسپیندل و حرکت محور و الف- در صفحه ZX  ؛ ب- در صفحه YZ . G12
بررسی درستی، تکرار‌پذیری و مقدار برگشتی موقعیت‌یابی حرکت محور X, Y, Z, C. P1-P2-P3-P4
آزمون ماشین‌کاری. M1

 

در این استانداردها ترتیب انجام آزمون‌ها همانند سایر استاندارهای ماشین ابزار، ابتدا با آزمون‌های هندسی (کدهای G1 تا  G12) آغاز می‌شود. آزمون‌های هندسی مرسوم از جمله مستقیم بودن۴، تختی۵، توازی۶ و تعامد۷ محورهای خطی و دورانی، انحراف‌های زاویه‌ای۸ محورهای خطی (مانند خطاهای غلت۹، گام۱۰، گشت۱۱) و لنگی۱۲ محور دورانی مورد بررسی قرار می‌گیرند. در تمامی آزمون‌های هندسی رعایت این نکته ضروری است که برای رسیدن به شرایط پایدار دمایی قبل از انجام آزمون، تجهیزات آزمون اندازه‌گیری مرتبط، بایستی به مدت زمان کافی در محیط آزمون قرار داده شوند.

در ادامه، آزمون‌های موقعیت‌یابی محورهای خطی در بخش‌های P1 تا P4 گنجانده شده‌اند. از آنجا که محورهای خطی ماشین‌های کنترل عددی از خطاهای تناوبی همانند خطای مربوط به گام پیچ ساچمه‌ای و گام مبدل‌های خطی و دورانی تاثیر می‌پذیرند، بنابراین آزمون‌های موقعیت‌یابی پر اهمیت می‎باشند. در مورد این آزمون‌ها رعایت چند نکته ضروری است و از آن جمله بحث هم‌دمایی می‌باشد. شرایط پایدار محیطی در انجام این آزمون‌ها حیاتی است. محور W ماشین‌های تخلیه الکتریکی فقط برای موقعیت‌دهی کلگی می‌باشد، بنابراین مورد آزمون موقعیت‌یابی قرار نمی‌گیرد و در صورت نیاز  بایستی همانند آزمون موقعیت‌یابی محور Z انجام ‌شوند. همچنین در خصوص ارزیابی نتایج بایستی به استاندارد ملی ISO 230-2 مراجعه شود.

همانطور که پیش‌تر بدان اشاره شد در قسمت پایانی این استانداردها پس ازکلیه بررسی‌های به‌عمل آمده در مورد یک ماشین EDM با انجام آزمون‌های هندسی و موقعیت‌یابی محورها، آزمون ماشین‌کاری نیز آورده شده است تا عملکرد ماشین در یک آزمون دینامیک نیز سنجیده شود. آزمون ماشین‌کاری مربوطه با کد M1 در جدول ۱ آمده است. برای این آزمون، ماشین‌کاری چند سوراخ در نظر گرفته شده و درستی فاصله سوراخ‌ها و اختلاف قطر آن‌ها مطابق رواداری‌های۱۳ مرتبط مورد ارزیابی قرار گرفته است. زبری قابل قبول برای آزمون ماشین‌کاری در شرایط پرداخت ۲ میکرومتر است. [۱۰-۱۱]

 

مراجع

[۱] http://www.georgfischer.com/content/gfac/com/en/Products/EDM/sinking-sinker-edm/general-purpose/die-sinking-form-300.html

[۲] Hassan El- Hofey “ Advanced machining process- nontraditional and hybrid machining processes- production engineering department” – Alexandria university, Egypt. P.115-138

[۳] http://www.slideshare.net/mohitgangwr/good-ppt-edm

[۴] http://aerospaceengineeringblog.com/turbine-cooling

[۵] http://procncwireedm.com/?page_id=1287

[۶] http://www.kingedms.com/blog/index.php/2011/11/application-of-wire-cut-edm-machining

[۷] https://www.makino.com/resources/case-studies/Innovative-Mold-Gains-Efficiency-in-Complex-Mold-Making-Applications/594/

[۸] http://1prototype.com/tooling.html

[۹] Habib Sidhom, Farhat Ghanem, Tidiane Amadou, Gonzalo Gonzalez, Chedly Braham“ effect of electro discharge machining (EDM) on the AISI316L SS white layer microstructure and corrosion resistance” -The International Journal of Advanced Manufacturing Technology – Vol. 65, 1-4, p.141-153 – ۲۰۱۳

[۱۰] ISO 11090-1:2014 “Test conditions for die sinking electrodischarge machines (die sinking EDM) — testing of the accuracy — Part 1: Single-column machines (cross-slide table type and fixed-table type)”

[۱۱] ISO 11090-2:2014 “Test conditions for die sinking electrodischarge machines (die sinking EDM) — testing of the accuracy — Part 2: Double-column machines (slide-head type)”

پی نوشت:

۱ Electrodischarge machining

۲ Surface integrity

۳ Linear displacement sensor

۴ Straightness

۵ Flatness

۶ Parallelism

۷ FSquareness

۸ Angular deviation

۹ Roll

۱۰ Pitch

۱۱ Yaw

۱۲ Run-out

۱۳ Tolerance