بخشی از مقاله
تأثیر ریزساختار آلیاژ بر روی کارایی ساخت ماشینی EDM ریز
جی. زد. لی، اف. اچ. شن، زد. وای. یو، دبلیو. ناتسو
چکیده: ساخت ماشینی تخلیه برقی (EDM) یک فرآیند الکتریکی-حرارتی است. وقتی که ویژگی میکرو دارای همان اندازه برابر با ریزساختار آلیاژ است، کارایی ساخت ماشینی EDM میکرو بعلت تفاوت بین خصوصیات حرارتی دانه بلوری و خصوصیات محدوده بلوری تغییر پیدا میکند، و منجر به ابعاد غیر مطلوب و فرآیند ساخت ماشینی ناپایدار می گردد. برای افزایش دقت ساخت ماشینی و کارایی EDM میکرو، لازم است که تأثیر ریزساختار آلیاژ بر روی کارایی ساخت ماشینی EDM
میکرو را درک کنیم. در این مطالعه، حفره های میکرو در آلیاژ تیتانیوم با بلورهای متعادل، مس، نیکل، آلیاژ نیکل-مس و فولاد ضد زنگ با دانه های بزرگ شده ایجاد شدند. میانگین مقادیر مختلف و توزیع در میزان های حذف مواد و فواصل تخلیه الکتریکی متغیر است، که نشان میدهد که کارایی ساخت ماشینی EDM میکرو تحت تأثیر ریزساختار آلیاژ قرار می گیرد.
کلمات کلیدی: ساخت ماشینی میکرو، EDM، ریزساختار آلیاژ، خصوصیات حرارتی، رسانایی گرمایی
1- مقدمه
فرآیندهای ساخت ماشینی میکرو بطور گسترده برای به حداقل رساندن محصولات مورد استفاده قرار می گیرد. یکی از عوامل حاکم بر فرآیند انتخاب مواد ساخته شده با ماشین مانند سرامیک، پلیمر یا آلیاژ است. در آلیاژ ها، دانه های بلورین در حین انجماد تشکیل می گردند. در شرایط مختلف تشکیل آلیاژ، ترکیبات شیمیایی، اندازه دانه ها و جهت یابی آنها متغیر است و نشاندهنده خصوصیات مکانیکی مختلف و خصوصیات فیزیکی مانند مقاومت در مقابل فرسایش، دمای بالا و خوردگی شیمیایی است. بنابراین آنها در سیستم الکترومکانیکی (MEMS) استفاده می گردند.
در ساخت ماشینی متعارف، مواد ساخته شده توسط ماشین بصورت متجانس فرض می گردند. وقتی که یک ویژگی به اندازه میکرومتر کاهش داده می شود، یا همان اندازه ریزساختار آلیاژ، خصوصیات ریزساختار آلیاژ ممکن است بر روی کارایی ساخت ماشینی تأثیر بگذارد. در برشکاری میکرو، خصوصیات مواد حجیم ممکن است معتبر نباشد. وقتی که ضخامت تراشه برش داده نشده کاهش می یابد، فشار جریان نیروی برشی مواد تا حد زیادی افزایش می یابد. اثبات شده است که محدوده های دانه ها، معایب بلوری و ناخالصیها در حین تغییر شکل پلاستیک نقش مهمی در فرآیند لغزش ایفا میکنند. وقتی که ابزار برشکاری در محدوده های بلورین حرکت میکند، شرایط ساخت ماشینی تغییر پیدا میکند و سبب تغییر در نیروی برشی، لرزش ابزار و پوشش ابزار تسریعی می گردد.
ساخت ماشینی تخلیه الکتریکی (EDM) یک فرآیند الکتریکی-حرارتی است که توسط آن، هرگونه مواد رسانا را صرف نظر از سختی آن، میتوان حذف کرد. در مته کاری حفره های ریز توسط EDM، نتایج ماشینی مانند میزان حذف مواد، نسبت پوشش الکترود و فاصله تخلیه الکتریکی در دامنه معینی در همان شرایط ماشینی معین تغییر پیدا میکند. ترک های بزرگی را میتوان در حفره های ریز ایجاد شده پیدا کرد، که ممکن است در حین تشکیل تراشه رخ دهد. ریزساختار مواد هم بر روی
حداقل اندازه ماشینی در EDM میکرو همراه با انرژی پالس تخلیه الکتریکی و تنش پس مانده مواد ساخته شده توسط ماشین تأثیر می گذارد. همچنین اثبات شده است که سرعت ساخت ماشینی با جهتیابی بلورین در شرایط پایانی تغییر پیدا میکند. اندازه دانه کاربید تنگستن ممکن است حداقل قطر میله را با EDM میکرو محدود کند. این عوامل نشان میدهند که نتایج ماشینی رابطه نزدیکی با ریزساختار مواد دارند وقتی که ویژگی اندازه به درجه میکرومتر کاهش داده می شود.
در EDM میکرو، پدیده های فیزیکی بسیاری مانند رسانایی گرمایی، الکتریسیته، نور، الکترومغناطیس و پلاسما در این فرآیند مورد نیاز هستند. اگرچه خصوصیات تصادفی EDM میکرو منجر به تغییر کارایی ساخت ماشینی می گردد، با اینحال بخشی از خطای بعدی ویژگی های میکرو ایجاد شده ممکن است توسط ریزساختار مواد ساخته شده توسط ماشین ایجاد گردد.
برای بالا بردن دقت ماشینی و کارایی، باید تأثیر ریزساختار آلیاژ بر روی کارایی ساخت ماشینی و خصوصاً ساختار بلوری آلیاژ بر روی میزان حذف مواد و فاصله تخلیه الکتریکی EDM میکرو را درک کنیم. این امکان وجود دارد که ابعاد ویژگی های میکرو را در مقاومت مورد نیاز با رجوع به الکترود با یک اندازه دقیق کنترل کنیم. فرآیند ماشینی صاف را می توان توسط انتخاب پارامترهای ماشینی مناسب بر اساس دانش تأثیر ریزساختار مواد بر روی کارایی ماشینی انجام داد.
در این مقاله، تأثیر ریزساختار مواد بر روی کارایی ماشینی EDM میکرو از دیدگاه رسانایی گرمایی مورد مطالعه قرار می گیرد. آزمایش های گسترده توسط ایجاد حفره های ریز در مواد مختلف انجام می شود. نتایج ماشینی مانند میزان حذف مواد و فاصله تخلیه الکتریکی ارزیابی می گردد. خلاصه اینها در بخش پایانی بیان می گردد.
2. رسانایی گرمایی و خصوصیات گرمایی مواد در EDM
در EDM، مواد توسط انرژی گرمایی ایجاد شده توسط پالس های تخلیه الکتریکی حذف می گردد. مدل حذف مواد EDM بر اساس معادلات دیفرانسیل برای رسانایی گرمایی در مواد جامد بشرح زیر می باشد:
که T توزیع دما، r محور شعاعی، z محور عمودی، t زمان و ضریب پخش گرمایی مواد ساخته شده توسط ماشین است ( که رسانایی گرمایی مواد ساخته شده توسط ماشین، چگالی مواد ساخته شده توسط ماشین و گرمای خاص مواد ماشینی است).
شکل 1 رسانایی گرمایی EDM را نشان میدهد. توزیع دما در مواد ساخته شده توسط ماشین در معادله 2 بیان شده است.
که T توزیع دما، دمای پیرامونی، q گدازای گرمای مجرای پلاسما، تابع خطای مکمل است.
گدازای گرما q بصورت زیر بیان می گردد
که F شکست انرژی انتقال داده شده به ماده ساخته شده توسط ماشین، v ولتاژ تخلیه الکتریکی در امتداد فاصله، i جریان تخلیه الکتریکی، شعاع مجرای پلاسما است. در شرایط ماشینی یکسان، و t را می توان ثابت فرض کرد. وقتی که دما به نقطه ذوب ماده می رسد، روابط شعاع حفره تخلیه الکتریکی و خصوصیات مواد را می توان توسط معادله 4 بدست آورد. بنابراین میزان حذف مواد و فاصله تخلیه الکتریکی را هم می توان بدست آورد.
در EDM متعارف، مواد ساخته شده توسط ماشین بصورت همگن فرض می شود. اندازه ویژگی ایجاد شده نسبت به اندازه ریزساختار در آلیاژ خیلی بزرگتر است. محاسبه میزان حذف مواد و فاصله تخلیه الکتریکی بر اساس خصوصیات مواد حجیم می باشد. وقتی که این ویژگی به درجه میکرومتر کاهش داده می شود، مواد ممکن است خصوصیات همگنی را خصوصاً در حالت آلیاژ ساخته شده ماشینی توسط EDM میکرو از خود نشان دهند. در حین تشکیل یک دانه در آلیاژ، یک ذره با بالاترین دمای ذوب ابتدا به جامد تبدیل می شود، و هسته دانه را تشکیل میدهد. با کاهش دما، اطراف دانه شکل می یابد. بنابراین خصوصیات مواد دانه و محدوده مانند رسانایی گرمایی، نقط ذوب و چگالی متفاوت خواهد بود.
در ساختار بلوری آلیاژ، حجم دانه ها و محدوده های آنها با هم متفاوت است، و منجر به تأثیر مختلفی بر روی کارایی ساخت ماشینی می گردد. در مواد همگن، رسانایی گرمایی مؤثر را می توان بصورت زیر بیان کرد:
که رسانایی گرمایی مرثر، رسانایی گرمایی دانه، رسانایی گرمایی اطراف دانه، شکستگی حجم محدوده دانه و شکستگی حجم دانه است ( در اینجا، ). بعلت ترکیبات شیمیایی مختلف در محدوده و دانه، رسانایی گرمایی آنها با هم متفاوت است، که بر روی کارایی ساخت ماشینی EDM میکرو تأثیر می گذارد.
3. آزمایشات و سنجش نتیجه
3.1 ساخت ماشینی مس، نیکل و آلیاژ مس-نیکل
برای مطالعه تأثیر ریزساختار مواد بر روی کارایی ماشینی، آزمایشات گسترده ای توسط ایجاد حفره های ریز در مواد مختلف با استفاده از ماشین EDM میکروی افقی انجام می شود. الکترودها با استفاده از میکروسکوپ نوره به اندازه مطلوب آماده می شوندو تفاوت قطر الکترود و قطر حفره میکرو برای محاسبه فاصله تخلیه الکتریکی بکار می رود و سپس زمان ساخت ماشینی ثبت می گردد. سطح ماده ساخته شده توسط ماشین جلا داده می شود و سیاه قلم کاری می شود تا ریزساختار آلیاژ مشاهده گردد و موقعیت حفره ریز در دانه بلوری یا محدوده با استفاده از میکروسکوپ فلزنگاری ثبت گردد.
برای مطالعه کارایی ساخت ماشینی تأثیر یافته توسط خصوصیات مواد، سه نوع مواد از مس الکترولیت (Cu)، نیکل الکترولیت (Ni) و آلیاژ مس-نیکل انتخاب شد. خصوصیات مواد در جدول 2 لیست بندی شده اند. می توان مشاهده کرد که بیشتر خصوصیات مواد آلیاژ مس-نیکل بین خصوصیات مس و نیکل است. کارایی ساخت ماشینی EDM میکرو در آلیاژ مس-نیکل می تواند بین خصوصیات مس و نیکل باشد.
بر اساس مدل نشان داده شده در شکل 1، دمای محدوده حفره به نقطه ذوب می رسد. برای تحلیل کمی روابط اندازه حفره و پارامترهای مواد در جدول 2، متغیرهای گدازای گرمایی q و زمان تخلیه الکتریکی t بعنوان اعداد ثابت ساده سازی می شوند چون از همان شرایط ساخت ماشینی در آزمایشات استفاده می شود. در EDM میکرو، زمان تخلیه الکتریکی در درجه نانوثانیه قرار دارد (در اینجا، ). گدازای گرمایی دامنه های منحنی ها را در شکل 2 تغییر میدهد (در اینجا، ). مقدار کمتر از 1 است. بنابراین، حداکثر مقدار در طرف چپ نزدیک هر اوج در یک منحنی در شکل 2 قرار دارد. می توان بوضوح مشاهده کرد که شعاع حفره در مواد مختلف برای مس، نیکل، و مس-نیکل از بزرگ تا کوچک متغیر است. بعبارت دیگر، میزان حذف مواد و فاصله تخلیه الکتریکی از درجه یکسانی پیروی می کنند.
برای بدست آوردن اندازه حفره در هر ماده، یک الکترود با قطر در مس، نیکل و مس-نیکل در عمق در شرایط ماشینی لیست بندی شده در جدول 1 وارد شد. سطوح ماشینی در شکل 3 نشان داده شده است. مقادیر میانگین اندازه حفره اندازه گیری شده در جدول 3 بصورت خلاصه بیان شده است، که با تحلیل تئوری نشان داده شده در شکل 2 ، بجز برای مس-نیکل ثابت است.
برای تأیید تأثیر خصوصیات مواد بر روی اندازه حفره، حفره های ریزی در صفحات نازک ساخته شده از مش، نیکل و مس-نیکل بترتیب با ضخامت های 0.35، 0.35 و 0.31 میلیمتر ایجاد شد. در هر صفحه، 10 حفره ریز در شرایط ماشینی ایجاد شد که در جدول 1 نشان داده شده است. میزان حذف مواد (MMR) در شکل 4 نشان داده شده است. درجه MRR در هر ماده با درجه مقادیر تئوری در شکل 2 مطابقت دارد. این بدین معناست که خصوصیاتمواد بر روی کارایی ساخت ماشینی تأثیر می گذارد. البته، فاصله تخلیه الکتریکی مس-نیکل در شکل 5 از درجه MRR ها جدا است.
برای بررسی این پدیده، سطح آلیاژ مس-نیکل با استفاده از پودر الماس با اندازه بمدت 12 تا 15 دقیقه جلا داده شد. پس از اینکه با استفاده از مایع خورنده سنگ مرمر بمدت 20 تا 30 ثانیه سیاه قلم کاری شد، ریزساختار مس-نیکل را می توان مانند شکل 6 نشان داد. می توان مشاهده کرد که آلیاژ مس-نیکل از دانه های بلورین تشکیل شده است و اندازه های آنها کمتر از است. وقتی که یک حفره ریز با استفاده از الکترود با قطر تقریباً در مس-نیکل ایجاد می گردد، میزان حذف مواد تحت تأثیر خصوصیات مواد حجیم قرار می گیرد چون دانه های زیادی در صفحات با ضخامت 0.31 میلیمتری در ساخت ماشینی وجود دارد. فاصله تخلیه الکتریکی همچنین بر اساس اندازه گیری قطر حفره ریز در سطح ماده ساخته شده توسط ماشین بدست می آید. لبه حفره مربوط به ریزساختار مواد می باشد. بعلت تفاوت ترکیبات شیمیایی در دانه و محدوده، رسانایی گرمایی آنها متفاوت است، که ممکن است سبب تفاوت در فاصله تخلیه الکتریکی گردد.
3.2 ساخت ماشینی آلیاژ بلورین متعادل TA0-1
در این مطالعه، TA0-1 برای جوش کردن آلیاژ TA15 بکار برده شد و بعنوان ماده نمونه انتخاب شد. رگه جوش شده متشکل از بلورهای متعادل بود. ترکیبات شیمیایی TA0-1 در جدول 4 بیان شده است. ضخامت نمونه 0.49 میلیمتر است. تعداد کلی حفره های ریز با استفاده از الکترودهای دارای قطر تقریبی در شرایط ساخت ماشینی جدول 1، 107 عدد است. نتایج ماشینی ثبت و محاسبه شدند. پس از ایجاد حفره، نمونه با استفاده از خمیر آب بندی الماس با اندازه ذرات بترتیب و بمدت 8 تا 10 دقیقه جلا داده شد، و سپس با استفاده از واکنش گر کرال بمدت 30 تا 60 ثانیه سیاه قلم کاری شد. موقعیت حفره ریز با استفاده از میکروسکوپ مشاهده شد. وقتی که یک حفره ریز در محدوده دانه بلورین از دو طرف نمونه یافت می شد، بعنوان "روی محدوده" شناسایی می شد همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است. در غیر اینصورت، بعنوان "داخل دانه" شناسایی می شد که در شکل 8 نشان داده شده است. تعداد حفره های ریز ایجاد شده در دانه در محدوده 56 و 51 عدد است.
مقادیر میانگین و دامنه های توزیع MRR ها و فاصله های تخلیه الکتریکی در شکل های 9 و 10 نشان داده شده است. میتوان مشاهده کرد که دامنه های توزیع MRR ها و فاصله های تخلیه الکتریکی با هم همپوشانی دارند، که نشاندهنده رفتار تصادفی فرآیند EDM است. البته، مقادیر میانگین آنها بعلت خصوصیات مواد مختلف دانه های بلورین و محدوده ها متفاوت می باشد. هرچند، تفاوت مقدار میانگین مهم نیست چون حجم حذف شده محدوده ها خیلی کمتر از حفره ریز است.
3.3 ساخت ماشینی فولاد ضد زنگ 304
برای مطالعه بیشتر تأثیر ریزساختار مواد بر روی کارایی ساخت ماشینی، آزمایشات گسترده ای بر روی فولاد ضد زنگ 304 انجام شد. برای بزرگنمایی اندازه دانه کمتر از در SUS 304، نمونه تا 1100 درجه سانتیگراد در یک تنور گرما داده شد. دمای تنور بمدت 3 ساعت ثابت نگه داشته شد تا از رشد دانه ها اطمینان حاصل شود. پس از اینکه دما به اندازه دمای اتاق کاهش پیدا کرد، نمونه برداشته شد و با استفاده از خمیر همپوشانی الماس با اندازه ذرات بمدت 10 تا 12 دقیقه جلا داده شد، و سپس با استفاده از مایع خورنده سنگ مرمر بمدت 3 تا 10 ثانیه سیاه قلم کاری شد. ضخامت نهایی نمونه 0.3 میلیمتر است. مشخص شد که اندازه میانگین دانه کمتر از است.
بطور کلی 194 حفره ریز با استفاده از یک میکروسکوپ نوری مشاهده شد. یک حفره ریز را می توان به گروه تقسیم کرد، همانطور که در شکل 11 نشان داده شده است. وقتی که یک حفره ریز با محدوده بیش از یکبار تقاطع پیدا میکند، بعنوان محدوده های چندگانه تعریف می شود. شکل های 12 و 13 ، MRR و فاصله تخلیه الکتریکی SUS 304 را نشان میدهند. تفاوت مقادیر میانگین و دامنه های توزیع سه گروه مشخص نیست. این تفاوت ممکن است بخاطر روش تقسیم بندی یک گروه غیر دقیق ایجاد گردد. تعداد دانه ها یا محدوده ها در حین ایجاد حفره ریز نامشخص است چون ضخامت نمونه خیلی بزرگتر از میانگین اندازه دانه است. بنابراین، تأثیر ریزساختار مواد بر روی کارایی ساخت ماشینی EDM میکرو با اندازه های ویژگی ایجاد شده و تعداد دانه های آلیاژ تغییر پیدا میکند.
4. تحلیل خطاها
تفاوت MRR ها و فواصل تخلیه الکتریکی TA0-1 همانطور که در شکل های 9 و 10 نشان داده شده است، در جدول 5 بصورت خلاصه بیان شده است. جدول 6 تفاوت MRR ها و فواصل تخلیه الکتریکی فولاد ضدزنگ 304 را لیست بندی می کند که در شکل های 12 و 13 نشان داده شده است. می توان مشاهده کرد که تفاوت MRR های TA0-1 واضح است و تفاوت فواصل تخلیه الکتریکی این بلور متعادل کمتر از است. قطر الکترودها و حفره ریز با استفاده از یک میکروسکوپ نوری و با قدرت تفکیک و دقت اندازه گیری شد. با فرض اینکه خطا در اندازه گیری حفره ریز باشد، تفاوت MRR ، است که خیلی کمتر از است. مشخص است که خصوصیات گرمایی در داخل دانه و بر روی محدوده متفاوت هستند، که منجر به میزان حذف مواد مختلف می گردد. البته، حجم محدوده قسمت کوچکی از حجم حفره را اشغال میکند. تفاوت MRR ها نسبت به مقدار میانگین خیلی کمتر است. قطر یک بعدی است. محدوده قسمت کوچکی از حفره ریز در یک بعد است. بنابراین، تفاوت فواصل تخلیه الکتریکی زیاد مهم نیست.
هر دو نوع تفاوت MRR ها و فواصل تخلیه الکتریکی در جدول 6 کوچک است. در فولاد ضد زنگ، اندازه دانه کمتر از است و ضخامت صفحه نمونه است. این بدین معناست که یک حفره ریز می تواند در چندین محدوده در داخل یک صفحه قرار داشته باشد. بنابراین، تفاوت MRR ها مشخص نیست. تفاوت فواصل تخلیه الکتریکی در مقاومت میکروسکوپ است.
5. خلاصه
در این مقاله، تأثیر ریزساختار مواد بر روی کاراییی ساخت ماشینی EDM میکرو مورد مطالعه قرار گرفته است. روابط خصوصیات حرارتی مواد و اندازه حفره تخلیه الکتریکی از لحاظ تئوری بر اساس تئوری رسانایی گرمایی مورد تحلیل قرار گفت. این مسئله توسط نتایج آزمایشی ایجاد حفره های ریز در مس، نیکل، و مس-نیکل تأیید شد. نتایج آزمایشی آلیاژ تیتانیوم نشان داد که مقادیر میانگین و دامنه های توزیع میزان حذف مواد و فاصله تخلیه الکتریکی "در داخل دانه" و "بر روی محدوده" با هم متفاوت هستند چون ترکیبات شیمیایی آنها با هم متفاوت بود. همچنین مشخص شد که تغییر تأثیر ریزساختار مواد بر روی کارایی ساخت ماشینی EDM میکرو بعلت اندازه های ویژگی ایجاد شده و تعداد دانه ها در آلیاژ می باشد.
