بخشی از مقاله
چکیده
ماشینکاری تخلیه الکتریکی پروسهای است که در آن مواد از طریق جرقههای الکتریکی بین الکترود و قطعهکار بصورت غوطهور در سیال دی الکتریک بهوسیله یک عمل سایشی برداشته میشود. این روش در سطح میکرونی برای ایجاد میکرو سوراخ و میکرو شیار را میکرو ماشینکاری تخلیه الکتریکی مینامند، در این تحقیق به بررسی پارامترهای میکرو سوراخکاری تخلیه الکتریکی به منظور دستیابی به یک روند صحیح برای Micro-EDM پرداخته شده است.
در این تحقیق تنگستن کاربید باضخامت 300 میکرومتر و سختی 82 راکول C بهعنوان قطعهکار انتخاب شده که با ساخت ابزاری با قطری کمتر از 150 میکرومتر از جنس تنگستن- مس، با استفاده از طراحی آزمایش تاگوچیL16 برای پارامترهای ولتاژ، جریان الکتریکی، زمان روشنایی پالس، سرعت دورانی ابزار، زمان خاموشی پالس و نوع منبع تغذیه، میکرو سوراخهایی با تلرانس استاندارد به قطر بر روی تنگستن کاربید ایجاد شده است، ، نرخ برداشت مواد و فرسایش ابزار آن به همراه ارائه مدل رگرسیونی تحلیل و بیان شده است که مولد منبع تغذیه RC نتایج بهتری نسبت به مولد ایزو پالس ارائه میدهد و همچنین ولتاژ بالا، نرخ برداشت کمتر و فرسایش بیشتر را سبب شده است.
مقدمه
ماشینکاری تخلیه الکتریکی، روش باربرداری است که در آن ولتاژ پالسی و منقطع بین دو الکترود بنامهای ابزار و قطعهکار برقرار شده است که در سیالی بنام دی الکتریک غوطهور میباشند و فضای بین آنها را دی الکتریک پر نموده است. عامل جرقه در نزدیکترین نقطه - نقاط - رخ میدهد و هر جرقه جزء کوچکی از ماده را از سطح قطعهکار جدا میکند و در نهایت بعد از تعداد زیادی جرقه شکل مکمل پیشانی ابزار با ایجاد حفرهای در قطعهکار حک میشود، در این فرآیند به دلیل ولتاژ ایجادشده یک میدان الکتریکی به وجود میآید، چنانچه دیالکتریک در میدان الکتریکی قرار گیرد، مولکولهای خنثی و متقارن آن به مولکولهای قطبی تبدیل میشود و دو قطب میدان، مولکولهای خنثی دیالکتریک را کش میآورند.
الکترونها به سمت قطب مثبت و هسته که شامل پروتونها است به سمت قطب منقی کشیده میشوند که اگر این میدان خیلی قوی باشد بر مقاومت دیالکتریک غلبه کرده و الکترونها را جدا میکند و در نتیجه مولکولهای دیالکتریک در محلی که میدان الکتریکی خیلی قوی است در نزدیکترین نقطه یا نقاط یونیزه میشوند. در این حالت گفته میشود مقاومت دیالکتریک شکسته - - Break Down شده است.
در نقطهای که دیالکتریک شکسته و یونیزه شده است، و از حالت نارسانا بودن به وضعیت رسانای الکتریکی تبدیل میشود و کانال پلاسما ایجاد خواهد شد جریان الکتریکی بین ابزار و قطعه کار برقرار میشود و جرقه زنی رخ میدهد و بعد اتمام جرقه زنی و دیالکتریک دیونیزه شده و دوباره عایق الکتریسیته میشود، این فرآیند در هر جرقه تکرار میگردد و بدین صورت عمل بار برداری انجام میشود، هر جرقه مقداری از مواد را از هر دو الکترود ابزار و قطعهکار حذف میکند که سبب افزایش فاصله بین آنها در آن نقطه میشود، در نتیجه جرقه بعدی در نزدیکترین فاصله بین آنها رخ میدهد
میکرو ماشینکاری تخلیه الکتریکی بسیار شبیه به اساس ماشینکاری تخلیه الکتریکی است. ماشینکاری تخلیه الکتریکی یک فرآیند گرمایی است که با استفاده از تخلیه الکتریکی از مواد رسانای الکتریکی برداشت میکند. EDM توانایی ماشینکاری حفرههای دقیق قالبها را دارد. EDM روشی مفید برای ساخت میکرو قطعات کوچکتر از 100 میکرومتر هست. میکرو EDM شبیه ماکرو EDM است بطوریکه مکانیزم آن براساس فرآیندهای الکتروترمال است. تفاوت میکرو و ماکرو EDM در قطر کانال پلاسما است. با توجه به انواع مختلف میکرو EDM، فرآیند ماشینکاری خیلی انعطافپذیر است. سه نوع از انواع کاربردی در صنایع عبارت از میکرو اسپارک1، میکرو ماشینکاری تخلیه الکتریکی سیمی2 و میکرو تخلیه الکتریکی سوراخکاری3 میباشند
روش EDM و Micro-EDM به دلیل آنکه روش باربرداری با تخلیه الکتریکی است و تنها پدیده آن ذوب و تبخیر است، با خواص ترمودینامیکی و فیزیکی قطعهکار و ابزار همانند، نقطهجوش، گرمای نهان تبخیر، گرمای ویژه ذوب، ضریب انتقال حرارت در ارتباط است. در صورتیکه در پروسههای سنتی برای ماشینکاری، عوامل استحکام، تنش تسلیم، مدول الاستیسیته، سختی و کلاً خواص مکانیکی مهم هستند، بنابراین در روش EDM امکان ماشینکاری مواد بسیار سخت با هر استحکامی و تنش تسلیم بالایی را وجود دارد
از جمله مواد بسیار سخت و پر کاربرد که ماشینکاری سنتی قابلیت باربرداری از آن را ندارد، تنگستن کاربید است ، این جنس در رتبهبندی سختی در مقیاس Mohs تقرباًی 9 ، با عدد ویکرز - 1700 2400 است. مدول یانگ در حدود 550 گیگا پاسکال، مدول برشی 270 گیگا پاسکال است. این جنس استحکام کششی نهایی 344/8 مگا پاسکال دارد .
تنگستن کاربید هنگامی که تحتفشار معادل 760 میلیمتر جیوه قرار دارد، دارای نقطه ذوب بالا در دمای 2870 درجه سانتیگراد و نقطهجوش 6000 درجه سانتیگراد میباشد، همچنین هدایت حرارتی و ضریب انبساط حرارتی دارد. تنگستن کاربید در ابزارهای ماشینکاری مورد استفاده قرار میگیرد. ابزار برشی تنگستن کاربید متخلخل در برابر سایش مقاوم است و همچنین می تواند در برابر درجه حرارت بالا مقاومت تر از فولاد ابزار با سرعت زیاد است، از دیگر کاربردهای آن میتوان به لوازم جراحی، لوازم ورزشی، قالبسازی و ... اشاره کرد.
در این مقاله به بررسی میکرو سوراخکاری تخلیه الکتریکی با استفاده از دستگاه EDM روی تنگستن کاربید پرداخته شده است. از آنجایی که محققین مختلفی در این زمینه فعالیتهای علمی داشته اند بدینجهت لازم دیده شده است برخی از این تلاشها ذکر شود.
مواد ترد به علت خاصیت شکنندگی و همچنین استفاده مبرم از آنها، مورد توجه محققین قرار گرفته است، در همین راستا در سال 2002، Kia Egashira در دانشگاه واکایاما ژاپن، سوراخکاری ریز در مواد ترد را بررسی و تحلیل کرده اند. ایشان با استفاده از ابزاری با سطح مقطع D شکل و شعاع لبه برشی 0/5 میکرومتر که به روش WEDG ساختهشده بود، به بررسی عمق برش و زاویه آزاد ابزار در سوراخکاری، سوراخهایی به قطر کمتر از 22میکرومتر و عمق 90 میکرومتر پرداختهاند. [4] وی همچنین در سال 2009 با استفاده از الکترودهایی از جنس تنگستن و سیلیکون، ماشینکاری با منبع تغذیه ایزو پالس و ولتاژ مدارباز 20 ولت انجام داده است و سوراخهایی به قطر کمتر از 1 P و عمق بیشتر از 1 P با موفقیت توسط ابزار تنگستن ایجاد شده است
M.P.Jahan . در دانشگاه ملی سنگاپور در سال 2008 با روش تخلیه الکتریکی با دو نوع منبع تغذیه ایزو پالس و RC میکرو سوراخهایی بر روی تنگستن کاربید ایجاد نمود، که نشان داد برای میکرو سوراخکاری WC استفاده از منبع RC دقت ابعادی و کیفیت سطح بهتری دارد
Pham در سال 2007 به همراه همکارانش تأثیر فاکتورهای مختلف تأثیرگذار بر سایش میکرو الکترود در مدت ماشینکاری تخلیه الکتریکی سوراخکاری با میکرو الکترود لولهای و میلهای را بررسی کردهاند. آنها یک روشی برای محاسبه نرخ سایش حجمی بر اساس اطلاعات هندسی پیشنهاد دادهاند و همچنین روشی برای جبران فرسایش نیز ارائه دادهاند.
Mohd Zahiruddin در سال 2012 در دانشگاه توکیوی ژاپن مقایسهای بین انرژی و حذف مواد در میکرو و ماکرو EDM انجام داده است، وی بیان کرده است که این دو روش مشابه یکدیگر هستند ولی در چگالی قدرت تفاوت دارند و این روی فرسایش و میزان برداشت مواد. تأثیر میگذارد. به این نتیجه رسیدهاند که تأثیر انرژی در میکرو EDM به میزان 30 برابر بیشتر از ماکرو EDM است.
انتخاب پارامترها و طراحی آزمایش
در این پروژه به منظور تعیین دقیق سطوح پارامترها، در حدود 40 آزمایش فرعی انجام شد و با توجه به عوامل اصلی تأثیرگذار مستقیم بر فرآیند، پارامترهای ولتاژ - - V، جریان الکتریکی - - I، زمان روشنایی پالس - - Ton، زمان خاموشی پالس - - Toff، نوع منبع تفذیه - - C و سرعت دوران ابزار - C-Rotation - ، انتخاب شدند،
برای انجام آزمایش دقیق و منضبط لازم است که از یک طرح آزمایشی مطلوب با توجه به شرایط و پارامترها انتخاب شود که بتوان خروجیهای مطلوب را استخراج و در ادامه تحلیل کرد. به همین منظور در این تحقیق با بررسی کلیه طرح ها، طرح آزمایشی تاگوچی مطلوب تر به نظر رسید و با توجه به 6 پارامتر مد نظر که 4 عامل 4 سطحی و 2 عامل دو سطحی هستند، آرایه متعامد L16 از طرح آزمایشی تاگوچی انتخاب شد.
جدول 1 پارامترها و سطوح انتخابشده
جدول 2 طرح L16 تاگوچی و مقادیر بدست آمده
تجهیزات استفادهشده در آزمایش
در آزمایشها طراحی شده نیاز به ماشین تخلیه الکتریکی پیشرفته با دقت کمتر از 1 میکرون نیاز است و همچنین قابلیت دوران ابزار را نیز داشته باشد. ماشین ONA علاوه بر با قابلیت CNC دارای تنظیمات دستی و دوران ابزار را می باشد و همچنین دارای دقتی برابر 0/1 میکرون است. نمونهای از مدل H300 دستگاه ONA را میتوان در شهرک علمی و تحقیقاتی شیخ بهایی واقع در دانشگاه صنعتی اصفهان مشاهده کرد که در آزمایشها انجامشده از این دستگاه استفادهشده است.
شکل 1 دستگاه EDM مدل ONA- H300
ابزار مورد استفاده برای ماشینکاری قطعات مقاوم به فرسایش همچون تنگستن کاربیداصولاً، تنگستن- مس پیشنهاد میشود. تنگستن- مس به دلیل آنکه ترکیبی از مس با هدایت الکتریکی و گرمایی فوق العاده بالا، و تنگستن با هدایت الکتریکی و گرمایی بالا و صلبیت فوق العاده و مقاوم در برابر فرسایش، جنسی بسیار مناسب برای فرآیند اسپارک است. تنگستن مس مورد استفاده با نام مشخصه S15WC با درصد ترکیبی % 70 تنگستن و % 30 مس با تراکم 14/25 رسانایی الکتریکی 44 الی 52 و سختی راکول -90 B 96 مناسب تشخیص داده شد است.
در این تحقیق از تنگستن کاربید بهعنوان قطعه کار با ضخامت 300 میکرومتر 0/3 - میلی متر - ، تختی 0/1 میلیمتر، کیفیت سطح 0/8 و سختی 83 راکول C استفادهشده است.
متغیر های پاسخ نرخ برداشت مواد
میزان برداشت مواد قطعهکار در واحد زمان را نرخ ماشینکاری مینامند. برای اندازهگیری نرخ ماشینکاری از فرمول زیر استفادهشده است، که وزن قطعهکار قبل از سوراخکاری و وزن قطعهکار بعد از سوراخکاری است، و W مدتزمان ماشینکاری به ثانیه است. میتوان بهجای استفاده از وزن از دسترفته از حجم سوراخ استفاده کرد.
فرسایش ابزار
مقدار حجم - وزن - حذفشده از مواد ابزار نسبت به حجم - وزن - اولیه ابزار را میزان فرسایش ابزار مینامند.
برای اندازهگیری میزان فرسایش ابزار از فرمول - 2 - میتوان استفاده کرد. در این فرمول وزن قطعه کار بعد از ماشینکاری و Wta وزن ابزار بعد از ماشینکاری میباشد. که مقدار بدست آمده درصد فرسایش ابزار را نشان میدهد.
تحلیل نرخ برداشت مواد
با افزایش جریان الکتریکی و زمان روشنایی پالس، انرژی جرقه بیشتر میشود و اگر این امر در ولتاژهای پایین باشد سبب ایجاد انرژی جرقه مناسب و تشکیل کانال پلاسما متناسب میشود و در نتیجه نرخ باربرداری بیشتر میگردد، در این وضیعت نیز افزایش سرعت دورانی میتواند در پراکنده کردن آلودگی ها و کاهش درجه حرارت به دییونیزه شده محیط در زمان خاموشی پالس کمک کند و سرعت و حجم برداشت مواد افزایش مییابد.
ولی اگر همزمان با افزایش جریان الکتریکی و زمان روشنایی پالس، ولتاژ نیز بیشتر شود سبب افزایش زیاد انرژی جرقه و تشکیل کانال پلاسمایی بزرگتر میگردد که این امر باعث کاهش بیرویه درجه حرارت محیط میشود و در نتیجه سبب تأخیر در روشنایی پالس میشود وبعضاً ممکن است به علت ولتاژ و جریان بالا عامل DC-ARC پدید آید که این دو باعث افزایش مدتزمان ماشین کاری و در نتیجه کاهش نرخ برداشت مواد میشوند، از طرفی دیگر با افزایش سرعت دورانی ابزار، نرخ کاهش درجه حرارت کانال پلاسما افزایش مییابد و مانع از ایجاد جرقه می شود که عاملی برای افزایش زمان تأخیر و کاهش MRR می باشد.
در نمودارهای 1، 2، 3 و 4 همان طور که مشاهده میشود، در حالت کلی با افزایش ولتاژ میزان برداشت مواد کاهش مییابد که در ولتاژهای پایین با افزایش آمپر میزان نرخ باربرداری افزایش مییابد ولی در ولتاژهای بالا با افزایش آمپر این نرخ کاهش می یابد. از طرفی دیگر با توجه به شیب نمودارهای رسم شده در نمودار1 میزان کاهش MRR با افزایش ولتاژ در جریانهای بالاتر بیشتر است. این تغییرات در MRR با تغییر ولتاژ و جریانکاملاً مشابه تغییرات ولتاژ و زمان روشنایی پالس است.
نمودار 1 تغییرات جریان الکتریکی بر حسب ولتاژ در نرخ برداشت مواد
