بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي اثر پودرهاي مختلف افزوده شده به دي الکتريک بر روي پارامترهاي ماشين کاري تخليه الکتريکي EDM
چکيده
در ماشينکاري تخليه الکتريکي يکي از مشکلات موجود افزايش زبري سطح ماشينکاري شده با افزايش جريان و پائين بودن نرخ براده برداري (MRR) در مقايسه با ساير روشهاي ماشينکاري پيشرفته وسنتي مي باشد.يکي از روشهاي بهبود اين وضعيت افزودن پودرفلزات و اکسيد آنها به دي الکتريک است .در اين مقاله با افزودن پودرهاي مس (CU)، اکسيد آلومينيم (Al2O3)سيليسيم کاربايد (siC)، در مخزن طراحي شدة حاوي دي الکتريک به بررسي پارامترهاي MRR ،صافي سطح ، فاصله گپ پرداخته ودو حالت بدون پودر وبا پودر با يکديگر مقايسه شده است .
نتايج تحقيق نشان ميدهد که افزودن پودرها به دي الکتريک سبپ بهبود صافي سطح ميگرددو ميتوان با جريانهاي الکتريکي بالاتر که سبپ افزايش نرخ براده برداري ميگردند صافي سطح را در حد مورد نظر نگه داشت که در حالت بدون پودر امکان پذير نميباشد.
واژه هاي کليدي :ماشينکاري تخليه الکتريکي (EDM)- نرخ براده برداري (MRR)- فاصله گپ افزودنيهاي دي الکتريک .
مقدمه و پيشينۀ تحقيق
با توسعه صنعت و پيشرفت در ساخت مواد باخواص مکانيکي بهتر مثل سختي بالا، استحکام بالا سفتي بالا، در براده برداري اين مواد بروش سنتي بدليل تماس مستقيم ابزار و قطعه کار مشکلاتي چون سايش ابزار، حرارت بالا، سرو صداي زياد و ارتعاشات ،سخت شدن سطح قطعه کار،و عدم دقت ماشينکاري وجود دارد.مزيت EDM اين است که بدليل عدم تماس ابزار با قطعه کار توانائي ماشينکاري تحت تاثير خواص مکانيکي قطعه کار نظير، استحکام ، سختي و چقرمگي قرار نمي گيرد.اما نرخ براده برداري (MRR)درمقايسه با روشهاي ماشينکاري مرسوم کم است و با افزايش نرخ براده برداري صافي سطح کاهش ميابد.به همين دليل قطعه کار بعد از ماشينکاري به مدت طولاني تحت عمليات پراخت وصيقل کاري بايدقرار گيرد[٨].امروزه چگونگي افزايش نرخ براده برداري تؤام با دقت و صافي سطح بهتر قطعه کار بسيارمورد توجه و تحقيق واقع شده است .تلاش هاي زيادي براي تحقق اين امر صورت گرفته است .روشهاي چون حرکت سياره اي الکترود ( Panetary EDM )،حرکت نوساني عمودي الکترود با فرکانس خاص ، تعويض قطبها، استفاده از چند الکترود کنار هم که نسبت به هم عايق شده اند و هر کدام دوره تناوب پالس خاص خود را دارند، پوشش دادن الکترود با مواد مقاومت الکتريکي بالا، نمونه اي از اين تلاشها ميباشد[١،١١].اما همه اين روشها بازدهي مناسپ نداشته و مشکلات خاص خود را دارا هستند. يکي از جديدترين روشهاي که اخيرًا ارائه شده است افزودن موادي بصورت مايع و پودر به دي الکتريک ميباشد.در مورد افزودني هاي مايع اطلاعات زيادي انتشار نيافته است .اما پودرهاي مختلفي چون پودر فلزات ، پودرهاي اکسيد فلزات ، پودرهاي نيمه هادي چون siC،MOs2 و غيره در اين روش استفاده ميشود[٩].ميدانيم که فرآيندهاي EDM در دي الکتريک خالص بدليل پديدة قوس الکتريکي (arc) که در اثر حضور ذرات و براده ها بوجود مي آيد بسيار ناپايدار هستندغالباً سيستم کنترلي دستگاه در لحظة تچمع براده ها در گپ (انتهاي جرقه )فاصلة گپ را افزايش ميدهد تا براده ها تخليه شوند.اما بچاي کاهش ذرات ، اضافه کردن پودرهاي خارجي طبق گزارشات و مقالات در بهبودي صافي سطح ، افزايش نرخ براده برداري و پايداري ماشينکاري موثر است [٦،٣].
در سال ١٩٨١ جسواني (jeswani )اثرات پودرهاي گرافيتي اضافه شده به دي الکتريک را مورد بررسي قرار داد او مشاهده کرد که افزودن پودر گرافيت باعث کاهش ولتاژ تخليه (breakdown)و افزايش فاصلة گپ ميشود.همچنين معلوم شد که پايداري فرآيند ماشينکاري در قالپ افزايش نرخ براده برداري بهبود پيدا ميکند[٥].بعدها افراد مختلفي شروع به آزمايشات هدفمند با استفاده از انواع پودرهاي بسيار ريز در EDM روي مواد با استحکام و سختي بالا حتي سراميکهاي شکننده کردند.N. MOri اثرات افزودني هاي پودري به دي الکتريک را مورد بررسي قرار داد[٧]. & Yan Chen اثرات پودر آلومينيم افزوده شده به دي الکتريک در ماشينکاري روي را مورد برسي قرار داد[٤،٥].در سال C.P.U١٩٩٦ افزودن پودر آلومينيم به دي الکتريک در ماشينکاري کاربيد تنگستن را آزمايش کرد.هر يک از محققين بالا نتايج مشابه بدست آمده از فرد قبلي را تچربه کرد.
در مقاله حاضر يک سري آزمايشات هدفمند ترتيپ داده شده که در آن از يک نوع پودر فلزي مانند مس يک نوع پودر اکسيد فلزي مانند اکسيد آلومينيم با درجة خلوص ٧٨%و يک نوع پودر نيمه هادي مانند کاربيد سيليسيم در دي الکتريک دستگاه EDM استفاده شده است تابامشاهدة اثرات آنان روي پارامترهاي ماشينکاري به مقايسه آنان نيز پرداخته شود.هدف اين تحقيق بررسي عملي بودن يک ماشينکاري دقيق و با سرعت بالا وساده است .
آزمايشات يک بار با دي الکتريک خالص و بار ديگر با اضافه کردن پودر در دي الکتريک انچام شده تا نتايج هر دو با هم مقايسه شوند. در حالت دي الکتريک خالص معمولا ذرات کربن و فلزات در فاصله گپ وجود دارند که باعث شکسته شدن يا کم شدن مقاومت الکتريکي معادل فاصله گپ و در نتيچه باعث تسهيل فرآيند جرقه و افزايش فاصله گپ ميشوند.عدم وچود اين ذرات يا بيش از حد مچاز بودن آنها يا تمرکز بيش از اندازه در ناحيه اي باعث پديدة قوس الکتريکي و ناپايداري ماشينکاري ميشود.
طبق گزارشات افزودن پودر، مکانيزم براده برداري را در پروسه هاي EDM تغيير داده و تاثير آشکاري در قابليت انتقال جرقه ، فاصلة گپ ،و دي يونيزه شدن دارد[٥،٢].
شکل ١ نشان ميدهد که چگونه يک جرقه اصلي توسط پودرها به چندين جرقه ضعيف تر توزيع شده و دانسيتة انرژي کاهش مي يابد.
ميشود که افزودن پودرها منچر به افزايش فاصله گپ ومتعاقبا کاهش چگالي قدرت يا انرژي تخليه الکتريکي ميشود.و در نتيچه باعث کاهش فشار گاز انفچار در يک جرقه يا يک پالس قدرت ميشود.
افزايش فاصله گپ چندين مزيت دارد:
١- باعث کاهش دانسيته انرژي (قدرت )تخليه الکتريکي ميشود.
٢- براده ها براحتي از آن فاصله خارج ميشود.
٣- پايداري ماشين کاري افزايش ميابد.
در شکل a٣و b٣مشاهده ميشودمکانيزم براده برداري تغيير يافته ، توسط مواد پودري مخلوط در دي الکتريک در يک تخليه الکتريکي تک جرقه اي ،در اثر ترکيپ دو نيروي مکانيکي ناشي از گاز انفچاري بوجود آمده از بخار دي الکتريک و ضربه ذرات معلق ميباشد.
همچنين مشاهد ميشود که در اثر افزودن پودر و تغيير مکانيزم براده برداري لايه هاي تحت تاثير قرار گرفته سطح پهن و کم عمق تر شده اند که نشانه بهبود شرايط سطحي و توزيع حرارت در سطح و کم شدن ترکهاي سطحي است .
اثر بر خورد ذرات و قابليت انتقال جرقه ( DiSCharge TranSivity ) نقش تعيين کننده اي را در بالا بردن بازدهي ماشينکاري EDM بازي مي کنند.قابليت انتقال جرقه تکليف فرکانس جرقه را تعيين ميکند که خود کنترل کنندة MRR است ، در حالي که اثر برخورد ذرات روي نرخ براده برداري کمتر است و بيشتر در بهبود صافي سطح مشارکت و همکاري ميکند.طبق گزارشات در ميان وروديهاي سيستم تغيير ولتاژ کمترين اثر را روي خروجي ها دارد.
تچهيزات و انچام آزمايشات :
در اين آزمايشات از يک دستگاه EDM Die-sink از نوع ١٢۰ آمپر پيشتازان استفاده شده است .
ابتدا قطعه کار تا٥٨ الي ٦۰ راکول (RC) توسط عمليات حرارتي ، سخت کاري ميشوند، توسط ماشين سنگ زني پيشاني آنها سنگ زده و پرداخت ميشوند، سپس توسط آستون و پنبه از هر گونه آلودگي از جمله چربي پاک ميشوند، توسط ترازوي الکتريکي دقيق توزين و ثبت ميشوند.همچنين الکترودها تميز شده و پيشاني آنها مانند قطعه کار توسط سنبادة نرم صيقلي ميشوند.در نهايت الکترودها به سه نظام نگهدارندة الکترود (قطپ مثبت )بسته شده و قطعه کارها در تانک مخصوص ساخته شده به سه نظام متحرک (قطپ منفي )بسته ميشوند.در شکل ٤شماي از دستگاه وتچهيزات مورد نياز نشان داده شده است .
شرايط آزمايش و وضعيت دستگاه EDM در جدول (١)نشان داده شده است .
ورودي هاي سيستم ، ولتاژX3 ، دورة تناوب پالس X2 ، جريان X1 و خروجي هاي سيستم يکي نرخ براده برداري و صافي سطح است .
اطلاعات ثبت شده و توسط نرم افزارmaple معادلات آن بدست و سپس ترسيم ميشوند.به منظور درک اثرات ترکيبي وروديها در اثر افزودن پودر به دي الکتريک ترسيم ها به صورت سه بعدي در آمده اند.
در جدول ٢ برخي از مشخصات مهمي از پودرهاي استفاده شده که در ماشينکاري EDM مهم است به تصوير در آورده است .
توسط نرم افزار Maple بين ورودي ها بعنوان متغيرهاي مستقل و خروجي ها بعنوان متغير وابسته معادله رياضي چند جمله اي از درجه دوم (QuadratiC) ارائه و ضرايپ آن را توسط نرم افزار مذکور بدست آمده است .در فرمول (١) چند جمله اي درجه ٢ نشان داده شده است :
که در آن ها ضرايپ معادله ،و function يک بار نرخ براده برداري و يک بار صافي سطح ميباشد.
گرافهاي صافي سطح :
براي ارائه بهتر نتايج گراف سه بعدي ترسيم شده است تا اثر متغيرهاي مستقل روي متغير وابسته بخوبي نشان داده شوند.دراين گراف ها محور عمودي ، متغير وابسته مانند MRR يا Ra است دو محور ديگر دو متغير مستقل ميباشد، متغير مستقل سوم (ولتاژ)نيز در يک سطح خاص ثابت در نظر گرفته شده است .همانطور که ميدانيم ولتاژ ياX3 کمترين اثر را در ميان مابقي روي MRR يا Ra دارد، لذا مقدار ولتاژ را ٦۰ ثابت گرفته و در پودر هاي مختلف و بدون پودر توابع MRR و Ra را به کمک نرم افزار٦ Maple ترسيم ميکنيم .نتايج بدست آمده از قرار زير است :
تحليل گرافهاي صافي سطح :
با مشاهده گرافهاي زير روشن ميشود که افزودن پودر در جريان و دورة تناوب پالس پائين به بهبود سطح کمک ميکند که اين همان بهبود کيفيت سطح در حالت پرداخت است .در جريان هاي بالا در دامنه وسيعتري از دورة تناوب پالس سطح بهبود پيدا کرده است و اين همان براده برداري سريع و دقيقي ميباشد که به دنبال آن بوديم .در جريان هاي پائين و دورة تناوب پالس بالا افزودن پودر نه تنها هيچ کمکي به بهبود سطح نميکند، بلکه شرايط بدتر هم ميشود.
١- مقايسه حالت با پودر مس و بدون پودر در ولتاژ٦٠ :
٢- مقايسه صافي سطح حالت دي الکتريک با پودر اکسيد آلومينيم و بدون پودر در ولتاژ٦٠ :
٣- مقايسه صافي سطح در دو حالت دي الکتريک با پودر سيليسيم کاربايد و بدون پودر در ولتاژ٦٠ :
٤- مقايسه صافي سطح چهارحالت , بدون پودر, با پودر مس ,اکسيد آلومينيم ,سيليسيم کاربايد در ولتاژ٦٠:
در اشکال زير صافي سطح (زبري سطح )چهار حالت بدون پودر(رنگ سبز)، با پودر مس (رنگ قرمز)، با پودر اکسيد آلومينيم (رنگ خاکستري )، با پودر سيليسيم کاربايد(رنگ زرد)، با هم در ولتاژ ٦۰ ترسيم شده اند.با توجه به شکل و مقايسه آنهامشاهده ميشود که مس کمترين زبري را باعث ميشود، بعد از آن سيليسيم کاربايد و سپس اکسيد آلومينيم .دليلي که ميتوان بر اين اتفاق آورد چگالي اين پودرها است همانطور که در پيشينه تحقيق آورده شده است دراين روش ماشينکاري پودرها نه تنها باعث توزيع وکاهش دانسيته جرقه ميشوند بلکه ضربه ناشي از اثابت پودرها به سطح قطعه کار نيز باعث بهبودي شرايط سطحي ميشود.لذا چگالي پودرها در ايچاد صافي سطح مؤثر هستند از جدول ٢ مشاهده ميشود که مس بالاترين چگالي و بعد به ترتيپ سيليسيم کاربايد و اکسيد آلومينيم قرار دارند.در جدول مشاهده ميشود که چگالي مس با دو پودر ديگر اختلاف قابل توجهي دارد و اين اختلاف در گرافهاي زير نيز مشاهده ميشود.
