بخشی از مقاله
بررسی و امکان سنجی ترکیب دو فرآیند ماشینکاری اسپارک و اولتراسونيک
چکیده : ماشینکاری به طریقه تخلیه الکتریکی (EDM) و نیز اولتراسونیک (USM) از روشهای ماشینکاری غیر سنتی بوده و هر یک مزایا و کاربرد خاص خود را دارا می باشتد. اسپارک اگر چه در هیان روشهای نوین ماشینکاری از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده و توسعه کاربرد آن بختصوص در کشورهای پیشرفته محسنعتی رو په افزایش است ولی عظیم کارآیی آن در ماشینکاری مواد عایق الکتریکی از یک طرف و افت شدید سرعت براده برداری بخاطر تجمع آلودگیها در گپ ماشینکاری از طرف دیگر باعث شده که کاندیدای دیگری در کنار آن مورد بررسی و مطالعه قرار گیرد. تحقیقات انجام گرفته نشان میدهند که اولتراسونیک در کنار تخلیه الکتریکی یکی از بهترین گزینه ها است . نتایج تجربی نشان می دهند که با توجه به عدم تغییر در کیفیت سطح ماشین کاری ، با ادغام این دو روش ، سرعست براده برداری در مقایسه با روش اولتراسونیک، بیش از سه برابر افزایش می یابد. مقاله حاضر ضمن معرفی این روش مزایای آنرا مورد بررسی و مطالعه قرار می دهد .
واژه های کلیدی : اولتراسونیک ، تخلیه الکتریکی ، پرداخت سطح ، سرعت براده برداری
مقدمة
همراه با پیشرفت روز افزون صنایع بخصوص صنایع هوایی و فضایی و جایگزینی مواد بسیار سخت و مقاوم از قبیل سرامیکهای مهندسی ، استفاده از ماشینهای ابزار در سرعتها و دقتهای بالا به منظور حصول به نیازهای صنعتی افزایش یافته است. ماشینکاری و سوراخکاری سرامیکها بخاطر خواص ویژه آنها از قبیل سختی و شکنندگی یا روشهای سنتی عملاً امکان پذیر نبوده و هر یک از روشهای نوین ماشینکاری نیز محدودیتهای خاص خود را دارا می باشند. به عنوان مثال در حال حاضر چندین روش برای سوراخکاری سرامیکها وجود دارد که اعم انها سوراخکاری مکانیکی ، ماشینکاری به روش اولتراسونیک ، تخلیه الکتریکی ، لیزر و ستون الکترونی است که هر کدام محدودیتهای خاص خود را دارند . سوراخکاری عادی مشکلاتی از قبیل ترکهای ایجاد شده در سطح قطعه کار و عمر کم ابزار را دارد . ماشینکاری لیزری و ستون الکترونی سوراخهای مخروطی و گلابی شکل تولید می کنند و بدست آوردن سوراخهای استوانه ای با توجه به پراکندگی اشعه و عمق براده برداری مشکل میباشند . ماشینکاری اولتراسونیک صافی سطح خوبی می دهد، اما نرخ براده برداری آن بسیار پایین است. در صورتیکه مقاومت مخصوص مواد کمتر از ۱۰۰ اهم بر سانتیمتر باشد، میتوان از روش تخلیه الکتریکی برای سوراخکاری آنها بهره جست که در سالهای اخیر از این طریق استفاده میشود ولی یکی از معایب عمده آن راندمان بسیار کم جرقه در حالت مدار باز، اتصال کوتاه ، و ارک بوده که این مسئله در سوراخکاریهای عمیق بیشتر می باشد . یکی از مواردی که در مقاله حافسر بررسی می شود استفاده از روش تخلیه الکتریکی در حضور امواج اولتراسونیک برای تولید سوراخ در فرامیکها با هدف کاهش هزینه ، افزایش راندمان ماشین کاری و حصول به نرخ بار برداری بالا است، بعلاوه آلیاژهای آلومینیم از نظر وزنی نسبتاً سبک بوده و با استحکام مخصوص بالا و وزن حداقل ، کاندیدای خوبی در صنایع هوایی و اتومبیل سازی هستند . از طرفی سطوح آلیاژهای آلومینیم در اثر سایش دوام کافی نداشته و در اثر آن بخصوص در اجزاء لغزنده و با برخورد مستقیم فرسوده میشوند لذا اهمیت ایجاد روشی که بتواند مقاومت به سایش سطح ماشین کاری شده الومینیم را بصورت اقتصادی و آسان افزایش دهد بیشتر می شود . اصلاح سطح حاصل به روش تخلیه الکتریکی به وسیله بعضی از محققین آزمایش شده است . به عنوان متال از الکترود تف شده کاربید تنگستن به عنوان ابزار جهت انتقال کاربید به سطح شده است ماشین کاری شده و شکل گیری یک لایه اصلاح شده روی سطح قطعه کار برای افزایش مقاومت به سایش سطح استفاده شده است ، روش تخلیه الکتریکی با الکترود تف جوشی نشده آلومینیم - تیتانیوم برای تولید لایه اصلاح و غنی شده از کاربید تیتانیوم روی سطح ماشینکاری بکار رفته است . بطوریکه تیتانیوم از الکترود و کربن از مایع دی الکتریک در حین ماشین کاری تخلیه الکتریکی روی سطح می نشینند این نتایج نشان میدهند که خواص مقاومت سایشی سطح پس از ماشینکاری به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد . با پدیده کربوره و دکربوره شدن در اثر آلیاژسازی با تخلیه الکتریکی روی سطح ماشینکاری شده اتفاق می افتد با استفاده از نفت سفید به عنوان دی الکتریک یک لایه کربوره روی سطح شکل می گیرد در حالیکه اگر از آب مقطر به عنوان دی الکتریک استفاده شود لایه دکربوره تشکیل می گردد. اگر چه بخشهایی از الکترود تف جوشی شده که به سطح متتقل می شود می تواند در طی فرآیند یک لایه اصلاح شده ایجاد کند ولی نرخ بالای سایش الکترود برای تهیه عوامل نفوذگر ضروری است که می تواند برای دقت ماشین کاری اثرات خطرناکی داشته باشد . ترکیب دو فرآیند تخلیه الکتریکی و ماشینکاری اولتراسونیک گردش مایع دی الکتریک را ساده تر می کند بنابراین از تجمع ذرات آلوده جلوگیری کرده و پایداری فرآیند را افزایش می دهد . بعلاوه اولتراسونیک می تواند به برداشتن مواد از قطعه کار تیز کمک نماید لذا ترکیب این دو فرآیند سرعت ماشین کاری را زیاد می کند. . در فرآیند ماشین کاری اولتراسونیک ذرات ساینده ای همچون کاربید سیلیسیم ، اکسید آلومینیم ، کاربید بور و ... در داخل گل ساینده جهت ایجاد ضربه و اثر چکشی به وسیله ارتعاشات مافوق صوت برای ترغیب ذرات میکرونی و ترکهای سطح قطعه کار و نهایتا باربرداری از قطعه افزوده می شوند. یکی دیگر از کاربردهای مکانیزم تلفیقی اسپارک و اولتراسونیک تولید یک سطح اصلاح شده روی قطعه کار است. ضخامت این لایه اصلاح شده می تواند به آسانی و بطور موثر با تغییر جریان تخلیه شده و ولتاژ مدار باز در حالتهای مورد نظر کنترل شود بعلاوه شکل و اندازه قطعه کار بطور مناسبی در طی فرآیند اصلاح سطح حفظ گردد.
معرفی فرآیند تلفیقی اسپارک و اولتراسونیک: در EDM معمولی در اثر برقراری ولتاژ DC بین دو الکترود و حرکت الکترونها، یونیزاسیون در فضای بین دو الکترود و در داخل دی الکتریک اتفاق افتاده و کانال بخار و در داخل آن کانال پلاسما تشکیل می شود{4]. در یک ولتاژ مشخص ، جرقه که حاصل یونیزابسیون کامل دی الکتریک است در نزدیکترین پیک مخالف اتفاق می افتد و افزایش ولتاژ نیز منجر به پهن شدن منطقه یونیزاسیون شده و آنرا تشدید می کند، ماشین ابزار مورد استفاده در تکنیک تلفیقی یک ماشین سوراخ کنی اولتراسونیک است که در شکل (۱) نشان داده شده است. ژنراتور اولتراسونیک یک سیگنال الکتریکی با فرکانس بالا در حدود KHZ ۱۷-۳۵ ایجاد کرده که توسط مبدل مکانیکی به ارتعاشات مکانیکی با همان فرکانس تبدیل می شود سپس این سیگنال توسط یک دنباله (Horn) تقویت شده و به ابزار منتقل می شود. قابل ذکر است که ابزار و قطعه کار به ترتیب به قطبهای مثبت و منفی یک منبع DC متصل میشوند. شکل (۲) روند تشکیل ، تکمیل و انهدام جرقه را در فرایند تلفیقی نشان می دهد - در اثر اعمال یک ولتاژ خاص در عرض گپ ماشین کاری یک میدان الکتریکی بین قطعه کار و ابزار ایجاد می شود. در ابتدا دو الکترود به وسیله سیال دی الکتریک ایزوله می شوند بنابر این جریانی عبور نمی کند . با ارتعاش اولتراسونیک به پیشانی ابزار به طرق پایین یعتی سطح قطعه کار حرکت کرده و در اثر کاهش گپ . میدان الکتریکی شدیداً افزایش می یابد که خود موجب تشکیل پلی از ذرات هادی می شود (شکل b ۲( زمانی که گپ ماشین کاری به یک مقدار بسیار کوچک مشخصی برسد مقاومت بسیال دی الکتریک شکسته شده (شکل C ۲( و ولتاژ به یک مقدار ثابتی می افتد و جریان زیاد می شود که مقدار آن توسط اپراتور قابل تنظیم است در این صورت کانال پلاسما و در اطراف آن کانال بخار تشکیل می شود (شکل ۲). هنگامی که سطح پیشانی ابزار از قطعه کار دور میشود ولتاژ افزایش یافته و جریان کاهش می یابد همچنین کانال پلاسما و بدنبال آن کانال بخار جمع می شوند. هنگامی که گپ به یک مقدار مشخص و بزرگی برسد این عمل مجدداً تکرار می شود (شکل g ۲ (
روش انجام آزمایش اول و نتایج آن تحوه تنظیم و انجام آزمایش به طور شماتیک در شکل (۱) نشان داده شده است . آزمایشات با استفاده از یک ماشین اولتراسونیک مدل 93025ل ساخت چین که در آن قدرت خروجی ژنراتور ۲۵۰W و محدوده فرکانس ۲۵- ۱۲ کیلو هرتز می باشد ، انجام شده است . دنباله نیز یک دامنه گسترده ای تا حدود ۴۰ میکرومتر را تحتمل می کند. دامنه ابزار ۲۵-۸ میکرومتر میباشد قطعه کار نیز سیلیکون کار باید می باشد که مشخصات آن در جدول (۱) ذکر شده است نتایج آزمایشات با توجه به جدول (۲) نشان می دهد که درصد بازده پالسهای تخلیه ماشین کاری تلفیقی همواره بیش از ۸۰ درصد است. همچنین نتایج تجربی در جدول (۳) نشان می دهد که در شرایط یکسان نرخ براده برداری ترکیبی بیشتر از دو برابر ماشین کاری به روش EDM می باشد - کیفیت سطح که شامل زبری Ra و سختی ویکرز H7 از سطح ماشینکاری شده می باشد تفاوت چندانی با اولتراسونیک ندارد (جدول ۳). قابل توجه است که اگر ولتاژ منبع آنقدر بالا باشد که کانال تخلیه هنگامی که گپ به بیشترین مقدار خود می رسد نتواند قطع شود، در آن هنگام یک آرک الکتریکی بین ابزار و قطعه کار زده می شود و در این حالت ماشینکاری تلفیقی نمیتواند به طور مناسبی کار کند و می بایست از بوجود آمدن چنین شرایط کاری اجتناب نمود. مقدار ولتاژ منبع به وسیله بزرگی ارتعاش ابزار و مقاومت سیال دی الکتریک و پارامترهای دیگر مشخص میشود .
افزایش نرخ براده برداری :
الف - اثر ولتاژ روی نرخ براده برداری باتوجه به شکل (۳) که اثرات ولتاژ اعمالی برروی نرخ براده برداری در ماشینکاری آلومین توسط فرآیند تلفیقی اسپارک - اولتراسوتیک را نشان می دهد . هنگامی که ولتاژ اعمال شده به حد ۲۰-۱۵ ولت افزایش می یابد جرقه های تخلیه الکتریکی مشاهده شده و نرخ بار برداری افزایش می یابد زمانی که ولتاژ اعمالی به بیش از ۸۰ ولت ( برای دامنه ۱۵ میکرومتر) و ۱۰۰ ولت ( برای دامنه ۲۵ میکرومتر ) برسد در آن هنگام بین ابزار و قطعه کار آرک زده می شود که باید از چنین موردی اجتناب کرد.
ب - اثر اندازه دامنه ارتعاشات ابزار روی نرخ براده برداری : اثر دامنه ارتعاشات آبزار روی نرخ برداشت ماده در شکل (۴) نشان داده شده است و با افزایش دامنه ارتعاشات ابزار نرخ برداشت ماده به آرامی افزایش می یابد. در دامنه های ارتعاشی پائین ( زیر ۸ میکرومتر ) ، تضمینی برای بقاه و ادامه جرقه وجود ندارد و جرقه ها قبل از تشکیل کامل در طی زمان تخلیه از بین می رونده جریان به گرها تبدیل شده و سطح قطعه کار در منطقه کانال پلاسما شدیدا گرم و ماده قطعه کار ذوب و تبخیر می شود، هنگامی که جریان متوقف می شود، یک افت شدید در کانال پلاسما و کانال بخار موجب ایجاد پدیده جوشش حجمی شده و محتویات چاله عذاب بیرون می ریزد. لازم به ذکر است که همه مواد ذوب شده از سطح قطعه کار برداشته نشده و تتها در صدی از محتویات چاله بیرون میریزد. در فرایند تلفیقی همراه با ارتعاشات اولتراسونیکی ابزار، گیپ ماشین کاری دائماً تغییر یافته که این خود منجر به ایجاد تغییرات فشار متناوب با فرکانس بالا می شود . در طول کاهش اندازه گپ فشار افزایش می یابد و رشد قطر کانال پلاسما زیاد میشود در حالیکه در طول افزایش فاز گپ یک افت فشار اتفاق می افتد که این باعث می شود مواد زیادی به بیرون پاشیده شده و مواد کمتری دوباره روی سطح الکترود منجمد شوند. علاوه براین ارتعاشات اولتراسونیک ابزار باعث می شود که ذرات کنده شده از قطعه کار در داخل گپ ماشین کاری دور شوند و در نتیجه سیال دی الکتریک در اطراف گپ تمیز باشد که این خود باعث افزایش بازده ماشینکاری در اثر پایداری بیشتر و ازدیاد جرقه های عادی و همچنین بدست آوردن نرخ باربرداری بیشتر از سطح قطعه کار میکردد. کیفیت سطح که شامل زبری Ra و سختی ویکرز H۷ از سطح ماشین کاری شده می باشد تفاوت چندانی با اولتراسونیک ندارد.
اصلاح سطح: جهت افزایش مقاومت به سایش سطحی آلیاژهای آلومینیم جهت بهبود سطح ماشین کاری شده آلیاژ Al-in-Mg، از فرآیند ترکیبی اسپارک - اولتراسونیک استفاده می شود بطوریکه ذرات سیلیکون کار باید به سیال دی الکتریک جهت ایجاد یک لایه اصلاح شده روی سطح ماشینکاری اضافه شده است . همچنین جهت تعیین ضخامت لایه اصلاح شده و توزیع سیلیکون و کربن در منطقه اصلاح شده حاصل از ماشینکاری فرآیند تلفیقی از روش آنالیزEPMA استفاده شده است. آزمایشات میکرو بسختی و تسبیت سایش که به منظور بررسی اثرات اصلاح سطح توسط فرایند تلفیقی مذکور انجام شده نشان می دهند که این فرآیتد قادر است ضمن ایجاد لایه اصلاح شده ای به عمق ۸۰ میکرومتر در زمان ۲۴۰ ثانیه روی سطح ماشین کاری شده آلومینیم . سختی و مقاومت به سایش سطحی قطعه کار را به طور چشم گیری افزایش دهد.
روند انجام آزمایش دوم : در آزمایش دوم که اثر ماشین کاری تلفیق دو روش اسپارک و اولتراسونیک روی سطح آلیاژ Al-Zn-Mg مورد بررسی قرار میگیرد از دهستگاهی مطابق شکل (۵) استفاده می شود. برای این منظور از یک ماشین اسپارک معمولی با مدار ترانزیستور و یک مبدل اولتراسونیک استفاده شده است بطوریکه در آن یک دنباله پله ای به عنوان یک تقویت کننده عمل می کند که این خود بوسیله یک پیچ به میدل متصل میگردد همچنین مبدل اولتراسونیک به وسیله یک فرکانس تشدید ۱۷/۵-۲۲KHZ برای تولید توان عمل می کند ، ذرات ساینده سیلیکون کار باید با قطر متوسط ۲۰ میکرومتر به چهار لیتر دی الکتریک با ترخ حجمی ۳۵٪ اضافه میشود. یک پمپ عمل توزیع یکنواخت ذرات در داخل دی الکتریک را بر عهده دارد . نمایی از نحوه تنظیم و ارتباط اجزاء این دستگاه در شکل(۵) و نیز شرایط کاری در جدول (۴) نشان داده شده است همچنین ماده قطعه کار آلیاژی از آلومیتیم است که مشخصات آن در جدول (۵) آمده است.
نتایج آزمایش : اثر پلاریته : شکل (۶) حفره حاصل از پلاریته مثبت و منفی الکترود ابزار را نشان می دهد با توجه به شکل بین مرکز حفره ایجاد شده در پلاریته مثبت و منفی تفاوت آشکاری وجود دارد. در پلاریته مثبت مقداری از مواد ذوب شده روی مرکز حغره منجمد میشود و یک ذره برآمده را تشکیل میدهد در حالیکه در پلاریته منفی بیشتر ماده ذوب شده در مرکز حفره به بیرون پاشیده شده و باعث ایجاد یک چاله عمیقتر در مرکز و پشته برجسته در اطراف حفره میگردد شکل (۷) صافی یک مسطح ماشینکاری شده نمونه را برای پلاریته های مثبت و منفی نشان میدهد آنالیز تصاویر میکروسکوپی بطوح ماشینکاری نشان می دهد که سطح پلاریته منفی زبرتر از سطح حاصل از پلاریته مثبت ابزار است که انتقال میزان بسیار بالای انرژی یون در مقایسه با الکترون و ایجاد حجم بیشتری از مذاب از دلایل مهم آن است لذا پلاریته منفی ابزار ، با نرخ براده برداری بالا و مافی سطح پایین همراه است چون اصلاح هسطوح و نه سرعت براده برداری بیشتر مدنظر است لذا ماشینکاری با پلاریته مثبت ابزار در آزمایشات بعدی انتخاب شده است. شکلهای ( ۸ و ۹) توزیع سیلیکون و کربن در مقطع ماشینکاری شده توسط فرایند تلفیقی اسپارک - اولتراسونیک با پلاریته مثبت و منفی را به منظور بحث در مورد آثار پلاریته روی مسطح اصلاح شده نشان میدهد با توجه به شکل (۸) میزان سیلیکون در مقطعی با پلاریته مثبت ابزار بیشتر از آن سطحی است که با پلاریته منفی تولید میشود بطوریکه آنالیز انجام شده تا عمق ۱۰ میکرومتر از سطح ماشینکاری شده نشان میدهد که میزان سیلیکون در پلاریته مثبت ۱/۹ وزنی و در پلاریته منفی ٪ ۱/۰ وزنی میباشد علاوه براین عمق محتوی سیلیکون در پلاریته مثبت (تقریباً ۸۰ میکرومتر) عمیقتر از پلاریته منفی (تقریباً ۶۰ میکرومتر) میباشد. با توجه به این شکل محتویات سیلیکون در منطقه ماشینکاری شده بوسیله هر دو پلاریته مثبت و منفی و با استفاده از فرآیند تلفیقی افزایش می یابد. لازم به ذکر است که قرایند تلفیقی ، ذرات سیلیکون کار باید را به منطقه ذوب شده قطعه کار وارد می کند سپسر سیلیکون کار باید ذوب شده را به سطح ماشینکاری شده انتقال میدهد بنابراین فرآیند تلفیقی اسپارک با اولتراسونیک یک روش خوب برای بهبود سطح ماشینکاری شده میباشد . بعلاوه پلاریته مثبت میزان سیلیکون بیشتر با ناحیه عمیق تری در مقایسه با پلاریته منتفی ایجاد می کند. شکل (۱۰) توزیع کرین در سطح مقطع ماشینکاری شده را نشان می دهد با توجه به شکل مقدار کربن در پلاریته مثبت بیشتر از پلاریته منفی می باشد این میزان در ۱۰ میکرومتر از سطح ماشینکاری شده و در پلاریته مثبت در حدود ٪ ۱۵ وزنی و در پلاریته منفی در حدود ٪ ۷ وزنی میباشد علاوه
