اتاق آبي

مقدمه:

الکترولیز به طور موفقیت آمیزی درفرآیندهای آبکاری برقی،شکل دهی برقی و پرداختکاری برقی بکار گرفته شده است.فرآیند برداشت ماده توسط تجزیه یا حل شدن شیمیایی از سال 1780 میلادی کشف شده است ، اما درسال 1929 برای اولین بار ثبت شده و طی چند دهه گذشته این روش بهتر مورد استفاده قرار گرفته است.این فرآیند همچنین به عنوان فرآیند شکل دهی الکتروشیمیایی غیر تماسی نیز شناخته میشود.مشخصه قابل توجه الکترولیز این است که انرژی الکتریکی برای تولید واکنش شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرد.بنابراین ، فرآیند ماشینکاری راکه بر اساس این اصل استوار است به عنوان ماشینکاری شیمیایی میشناسند.این فرآیند بر اساس قوانین تجزیه الکتریکی فاراده عمل میکند. الکترولیزفرایند شیمیایی است که در آن جریان الکتریکی از دو الکترود فرورفته در محلول مایع عبور داده می شود. بطور مثال، دو سیم مسی متصل به یک منبع جریان مستقیم وغوطه ور شده در یک محلول سولفات مس در آب. در ECM اختلاف پتانسیل الکتریکی DC کمی(25-5)ولت به دو الکترود یا به عبارت دیگر به کاتد و آندی (آند قطعه کار است و کاتد ابزار)که در الکترولیت قراردارند اعمال میشود انتقال الکترونها بین یونها و الکترودها مدار الکتریکی را کامل میسازد.فلز به صورت اتم های منفرد از سطح آند جدا میشود و در الکترولیت به صورت یونهای مثبت ظاهر میشود.در ماشینکاری الکتروشیمیایی فلزجدا شده به صورت هیدروکسیدهای فلزی جامدرسوب کرده ظاهر میشود.

شکل زیر نمای از قطعات مختلف که در عملیات شکل دهی به کار می رود.

الکترولیز:

الکترولیتهای مورد استفاده در ECM حاوی اسیدها یا در حالت کلی تر، نمکهای قلیایی محلول در آب میباشند.وقتی که الکترولیت با سرعت زیاددرحد فاصل بین دو الکترود حرکت میکندچندین کاررا انجام میدهد.این الکترولیت محصولات واکنش الکتروشیمیایی رارقیق میکند و آنها را از این فاصله خارج میسازد، حرارت رابا سرعت بیشتر وبه مقدار زیادتری منتقل میکند و تمرکز یونها را بر روی سطح الکترود محدود میکند تا نرخ های ماشینکاری بیشتری حاصل شود.دبی حجمی الکترولیت بر اساس سرعت جریان الکترولیت ، فاصله بین دو الکترود و سایز قطعه ای که ماشینکاری میشود تعیین میگردد. خواص الکترولیت (ترکیب،غلظت،مقدارPH،دما و غلظت عناصرخارجی) همراه با شکل ابزار به دلیل اینکه متغیرهای مهمی هستند که شکل قطعه ماشینکاری شده (پروفیل آند)را تعیین میکنند باید دقیقا کنترل شوند.انتخاب الکترولیت بسیار مهم است.اغلب از کلرید سدیم(نمک معمولی)به عنوان ماده ای که ارزان و به راحتی موجود میباشد استفاده میشود.به منظورحفظ MRR مطلوب لازم است الکترولیت تحت فشار بالایی یه فاصله بین دوالکترود پمپاژگردد. بنابراین،شکلی که قراراست درآند ایجاد شود به عوامل زیادی بستگی دارد اما این عوامل را میتوان فقط به چگالی شدت جریان و شکل کاتد محدود کرد.

یکی از کاربردهای الکترولیز ، فرایند های آبکاری و شکل دهی الکتریکی در فلزات برای پوشش دهی روی سطح قطعه کار (کاتد) است. این قطعه کاردر سلول الکترولیتی که ساییده شده است آند را تشکیل می دهد.ناهمواریهای روی سطح آنچنان پس از براده برداری تجزیه می شود که سطح بسیار صاف و هموار و براقی را تشکیل می دهد .

الکترولیت ها غالباً محلولهای نمک های معدنی، هادی خوب جریان برق مانند کلرید سدیم، کلریدپتاسیم یا نیترات پتاسیم هستند و در دمای تقریبی 90 تا 125 درجه فارنهایت با شدت جریان بین 50 تا 200 فوت بر ثانیه عمل می کنند. غالباً ابزار ازجنس مس یا برنج و برخی اوقات فولاد زنگ نزن است. نرخ برداشتن فلز تابع چگالی جریان است. مقدار چگالی جریان معمولاً بین 1500 تا 2000 آمپر بر اینچ مربع است که طی آن نرخ برداشت فلز به 1/0 اینچ مکعب در دقیقه بر هزار آمپر می رسد. از آنجا که سرعت تراش فقط تابع نرخ تبادل یون ها است، سختی و چقرمگی ماده تاثیری بر نرخ ماشین کاری ندارد.

شکل-1 اصول و تجهیزات اولیه این روش را نمایش می دهد.

همان طور که گفته شد ابزار(کاتد) وقطعه کار (اند) همواره در یک محلول مایع قرار دارد عمل ماشین کاری را انجام می دهد . در شکل 2 که دو مفتول مسی در یک محلول سولفات مس قرار دارد را نشان می دهد.

ماشینکاری بروش الکتروشیمیایی ( ECM ) شبیه براقکاری است که در آن نیز فرایند تجزیه الکتروشیمیایی آند در یک جریان مستقیم عبوری با چگالی بالا و ولتاژ پایین انجام می گردد. سطح قطعه کار آندی ، به یون های فلزی تجزیه می شود و شکل ابزار روی قطعه کار حک می شود.

الکترود :

الکترودهای ابزار است که ساخت آن بسیار وقت گیر و پر هزینه می باشد و بجز در مورد شکل های ساده مهندسی مستلزم چندین بار ساخت و آزمایش است. از آنجا که ابزار تحت محافظت کاتدی قرار دارد، فرسایش ابزار در حین عملیات تراشکاری صورت نمی گیرد. سطح تولید شده با این روش عاری از تنش است. توانایی همزمان ایجاد یک حفره کامل نیز قابل توجه است.معمولاً جنس ابزار ( الکترود ) از جنس مس ، برنج ، برنز و یا فولاد ضد زنگ است و همیشه دارای بار منفی ( کاتد ) است .

خواصی که یک الکترود باید داشته باشد :

1- الکترود باید قابل تراش بوده تا بتوان آن را به فرم لازم در آورد .

2- الکترود باید دارای استحکام مناسب باشد .

3- الکترود باید قابلیت هدایت برق را داشته باشد .

4- الکترود باید در مقابل خوردگی مقاوم باشد .

مس هادی بسیار خوبی است ولی ماشین کاری با آن به دلیل نرم بودن آن با مشکل روبه رو می شود ، ولی برنج با وجود اینکه افت زیادی هنگام انتقال الکتریسیته دارد ولی در مقابل با داشتن مقاومت خوب و هزینه کم جبران آن نقص را می کند .

منبع :

انرژی لازم به وسیله یک منبع DC با دامنه ولتاژ 5 تا 25 ولت تامین می شود . این ولتاژ باید شدت جریانی برابر با 1.5 تا 8 آمپر به ازای هر میلیمتر مربع ایجاد کند که البته ماشین های موجود دارای ظرفیتی بین 5 تا 40000 آمپر می باشند .

نرخ نفوذ پذیری ابزار به نسبت شدت جریان بستگی دارد و سرعت تراش 2.5 تا 12 میلیمتر در دقیقه است.

فاصله تراش :

فاصله بین ابزار و قطعه کار را فاصله تراش گویند که این فاصله باید حتی الامکان خیلی کم باشد ( در حدود 0.07 تا 0.02 میلیمتر ) و هرگونه تماس فیزیکی بین ابزار و قطعه کار در درجه بالای جریان باعث قوس می گردد و به قطعه کار و الکترود صدمه وارد می کند .

از مزایای این روش این است که سطحی بدون پلیسه تولید می شود و می توان از این فرآیند به عنوان یک فرآیند پلیسه برداری استفاده کرد .

قطعات تولید شده با این روش دارای استقامت و خستگی کمتری نسبت به سطح های سنگ زده و پرداخت شده دارند .

به طور کلی ماشین ابزار ECM شامل چهار زیر سیستم اصلی میشود:

1- مولد قدرتپ

2- سیستم تغذیه و تمیز کردن الکترولیت

3- سیستم ابزار و تغذیه آن

4- قطعه کار و سیستم نگهداری آن

نمای شماتیک ماشین ابزار ECM را در شکل زیر مشاهده میکنید:

۱- مولد قدرت:

در حین فرآیند ECM یک جریان مستقیم بالا (ممکن است تا 40000A نیز باشد) و یک اختلاف پتانسیل الکتریکی پایین(در حدود 5-25V)در حد فاصل بین دو الکترود مطلوب است تا کنون بالاترین چگالی جریان بدست آمده در حدود 20000A/CM2 بوده است. بنابراین جریان متناوب سه فاز به کمک یک رکتیفایر و یک ترانس به یک جریان بالای مستقیم با ولتاژ پایین تبدیل میشود. رکتیفایرهای کنترل شده سیلیکونی (SCR)به خاطر عکس العمل سریع در برابرتغیرات به وجود آمده درحین فرآیند و کوچک بودن ، جهت انجام عمل یکسوکنندگی و همچنین تنظیم ولتاژ،مورد استفاده قرار میگیرند.

۲- سیستم تغذیه و تمیز کردن الکترولیت:

سیستم تغذیه و تمیزکاری الکترولیت شامل یک پمپ،فیلترها، لوله ها، شیرهای کنترل ، سیم پیچهای گرم کننده یا سرد کننده ، فشارسنجها و مخزن ذخیره میباشد.دریچه های تغذیه الکترولیت ممکن است در ابزاریا قطعه کار یا فیکسچربا توجه به نوع حرکت مورد نیاز الکترولیت ساخته شوند.جهت بدست آوردن MRR زیادو دقت بالا معمولا فاصله بین دو الکترود باید کمتر از 1mm باشد.جریان آرام الکترولیت باید حفظ گردد و به این منطور باید از هر نوع انسداد این فاصله کم توسط ذراتی که الکترولیت با خود حمل میکند جلوگیری به عمل آید. بنابراین تمیزی الکترولیت ضروری میباشد معمولا الکترولیت به کمک فیلترهایی از جنس فولاد زنگ نزن ، مونل یا هر ماده مقاومدر برابر خوردگی تمیز میشود.جهت عملکرد مناسب ، این فیلترها باید به طور متناوب تمیز گردند. بمنظوربدست آوردن نتایج مطلوب میتوان فیلترها را در لوله تغذیه الکترولیت درست قبل از ظرفی که قطعه کاردرآن قرارگرفته است نصب نمود.

۳- ابزار و سیستم پیشروی آن:

نظر به اینکه ابزار و فیکسچرها باید برای مدت زمانی طولانی در یک محیط خورنده بکار گرفته شوند استفاده از موادی که در برابر خوردگی مقاوم باشند در این محیط ضروری است. هدایت حرارتی و الکتریکی بالای ابزار نیز از ضروریات اصلی میباشد. ماشینکاری آسان ابزار نیز به همین اندازه مهم است به این دلیل که دقت ابعادی و پرداخت سطح ابزار بطور مستقیم بر دقت و پرداخت سطح قطعه تاثیر میگذارد. آلومینیم ، برنج ، برنز ، مس ، کربن ، فولادزنگ نزن و مونل از موادی هستند که برای این منظور استفاده میشوند . علاوه براین قسمتهایی از ابزار که عمل ECM در آنجا مورد نیاز نیست باید عایق کاری شوند. برای مثال ، عدم عایق کاری دیواره های جانبی ابزار قالبسازی باعث ماشینکاری ناخواسته قطعه ودرنتیجه از بین رفتن دقت قطعه ماشینکاری شده میشود. برای ساخت فیکسچرها استفاده از مواد غیر خورنده و مواد نارسانای الکتریکی توصیه مشود. همچنین فیکسچرها و ابزار باید به اندازه کافی صلب باشند تا وقتی تحت نیروهای بالای هیدرولیکی قرار میگیرند مرتعش یا خم نشوند.

۴- قطعه کاروسیستم نگهداری آن:

با این فرآیند تنها قطعات کاری که از لحاظ الکتریکی رسانا باشند را میتوان ماشینکاری نمود.خواص شیمیایی جنس آند (قطعه) به مقدار زیادی بر نرخ برداشت ماده (MRR) تاثیر میگذارد. وسایل نگهدارنده قطعه کار از موادی که از لحاظ الکتریکی نارسانا باشند ساخته میشود و دارای خواص پایداری حرارتی خوب و جذب رطوبت پایین میباشند.

برای مثال پلاستیک های تقویت شده با گرافیت ، پلاستیکها ، پرپلکس و... موادی هستند که برای ساخت وسایل نگهدارنده قطعه کار مورد استفاده قرار میگیرند.

کاربردهای ماشین ابزار ECM :

سالهاست اصول ECM برای انجام عملیاتهای ماشینکاری متعددی بکار گرفته شده که چند نمونه از آنها عبارتند از: گرد تراشی (تراشکاری)،واشربری،خان کشی،سنگ زنی،مته کاری سوراخهای ریز،قالب سازی،سوراخ کاری،پلیسه زدایی و برش سنبه ای،این فرآیند بطوروسیعی درصنایع مرتبط باهواپیمایی،تکنولوژی هسته ای، سفینه های فضایی،خودروها، توربین ها وغیره استفاده میشود. مثال هایی از کاربرد هایECM عبارتند از: ماشینکاری پره های توربین از جنس آلیاژهای محکم ومقاوم در مقابل حرارت، کپی کاری سطوح داخلی و خارجی،برشکاری شیارهای منحنی الخط ، ماشینکاری قطعات پیجیده، تولید مقاطع منحنی دار طویل،ماشینکاری چرخ دنده ها،تولید صحیح وبدون عیب نازل تیغه دار برای مصرف در لوکوموتیوهای دیزلی،تولید رینگ های استلیتی و شاتون،ماشینکاری دیافراگم های نازک با قطر زیاد و.... .

این فرآیند بیشتر مورد توجه کسانی قرار گرفته که با ماشینکاری مواد سخت وچقرمه مخصوصا برای قطعاتی با اشکال پیچیده سروکاردارند. با وجود این از تمامی توانایی های این فرآیند بدلیل مشکلات طبیعی که در طراحی ابزار وسازگاری با محیط وجود دارداستفاده نشده است.در زیر به توضیح تعداد کمی از فرایند های این روش می پردازیم.

فرآیند مته‌کاری الکتروشیمیایی:

در مته کاری الکتروشیمیایی ازولتاژ زیاد و الکترولیت های اسیدی استفاده می شود و برای مته‌کاری

سوراخ های بسیار کوچک طراحی شده است. ابزار به شکل یک شیپوره شیشه ای کشیده با الکترود داخلی است. با استفاده از چندین مجموعه از این لوله های شیشه ای می توان بیش از 50 سوراخ در هر نوبت تولید کرد. از این روش بخوبی در مته کاری سوراخهای مجاری خنک کننده در پره توربین های موتور جت استفاده می شود. تولید سوراخهای عاری از تنش با قطر های 004 /0 تا 03 /0 اینچ و نسبت عمق به قطر50 روی قطعات آلیاژی کبالت و نیکلی با این روش کاملا عادی است. اسیدموجود، فلزات حل شده را بجای تولید سرباره به محلول هدایت میکند. از این روش می توان برای مته کاری سوراخ های شکل دار بر روی قطعات هادی جریان برق که مته کاری آنها با روش های متداول ماشین کاری دشوار است، استفاده کرد. تولید سوراخ هایی تا عمق 24 اینچ با قطرهای 02/0 تا 05 /0اینچ با این روش امری بسیار عادی است. تفاوت های عمده این روش با روش مته کاری گفته شده در بالا، ولتاژ کمتر ( بین 5 تا 10 ولت DC )، الکترودهای ویژه بلند و ستقیم و لوله های مقاوم در برابر اسید با پوششی از عایق شده و دیواره سوراخ به مخزن باز می گردد.درشکل 3 فرایند ایجاد سوراخ یا سوراخ کاری را مشاهده می کنید.

فرآیند سنگ زنی الکتروشیمیایی:

سنگ زنی الکتروشیمیایی (ECG) نوعی فرآیند ماشین کاری الکتروشیمیایی است که الکترود ابزار آن یک چرخ سمباده گردان الماسی با چسب فلزی است. با برقراری جریان الکتریکی بین قطعه کار و چرخ در الکترولیت، سطح فلز به اکسیدفلزی تبدیل و بوسیله مواد ساینده زدوده می شود. همگام با برداشته شدن سطح اکسید شده، سطح زیرین تازه نیز اکسید و برداشته می شود. در این فرآیند ولتاژ پایین و شدت جریان بالاست. نرخ برداشت فلز تابع عوامل متعددی است. چسب فلزی چرخ در حکم کاتد است.چرخ های مورد استفاده در فرآیند سنگ زنی الکتروشیمیایی باید در ضمن ساینده بودن هادی جریان برق نیز باشند. در بیشتر موارد از چرخ هایی از جنس اکسید آلومینیوم با چسب صمغی استفاده می شود. چسب صمغ حاوی مقداری مس جهت هدایت جریان برق است. مقاومت الکتریکی نیز باید ناچیز باشد. چرخ ها را می توان به روش های مختلف تیز کرد و برای عملیات سنگ زنی فرم دقیق مورد استفاده قرار داد.

نقش ماده ساینده افزایش کارآیی فرآیند و حفظ پیوستگی سنگ زنی الکتروشیمیایی است. ذرات ساینده غالباً مواد عایق الکتریکی مانند اکسید آلومینیوم، الماس، یا بورازون ( CBN ) هستند و بصورت فضای غیر هادی بین الکترودها ( با ضخامت 0/0005 تا 003 /0 اینچ ) عمل می کنند. درصورت نبودن فضا اتصال مرده ای بین الکترودها رخ می دهد. علاوه بر این، ذرات ساینده محصولات تراش را از محیط عمل دور می کنند و هنگامی که چرخ با قطعه کار تماس حاصل می کند ( بخصوص در حالتی که جریان برق متوقف می شود ) قدری تراشه بر می دارد. در شرایط مناسب کمتر از 5 درصد ماده به روش تراشه برداری معمولی برداشته می شود. از این فرآیند برای شکل دادن و تیز کردن ابزار تراش از جنس کاربید استفاده می شود که در سنگ زنی معمولی موجب فرسایش سریع ابزار الماسی گران قیمت می شود.

سنگ زنی الکتروشیمیایی به شدت این فرسایش ابزار را کاهش می دهد. قطعات ظریف ( ساختارهای کندوی عسل )، سوزن های جراحی و قطعات مونتاژی پره های توربین ها بخوبی با این روش تولید می شوند.

پرهیز از خسارت حرارتی و نبودن زایده ها و تنش های جا مانده، فرسایش کمتر چرخ و نرخ برداشت فلز بسیار بیشتر نسبت به فرآیندهای متداول سنگ زنی از ویژگی های عمده این روش بشمار می آیند.

ودیگر فرایند ها که توسط ابزار های خاصی عمل الکترو شیمیایی را انجام می دهد.که ما در این تحقیق به نشان داد تصاویر این فرایند ها بسنده می کنیم.

فرایند چرخ دنده زنی:

فرایند خان کشی:

قطعاتی که با این روش تولید می شود در شکل6 نمایش داده شده است .

مزایا و محدودیتهای ماشین ابزار ECM :

ECM مزایای قابل توجهی را ارائه می دهد. این فرآیند میتواند اشکال بسیار پیچیده و منحنی شکل را دریک مرحله ماشینکاری ایجاد نماید. تنها از یک ابزار برای ماشینکاری تعداد زیادی قطعه میتوان استفاده نمود ، بدون اینکه این ابزار شکل و سایز خودش راازدست بدهد.از لحاظ تئوری عمر ابزار در ECM خیلی طولانی است. این فرآیند چند مزیت دارد از جمله اینکه توانایی ماشینکاری قطعه کار مسقل از خواص فیزیکی و مکانیکی آن است. سطوح ماشینکاری شده بدون تنش و پلیسه با پرداخت سطح خوب مقاومت بهتر در برابر خوردگی و دقت بهتررا میتوان با این فرآیند ایجاد نمود. این فرآیند دورریزکمتری ایجاد کرده ، کارکردی اتوماتیک دارد و کل زمان ماشینکاری و هزینه های مربوط به انبارداری را نیز کاهش می دهد.

ECM محدودیتهای خاص خود را دارد و تنها میتواند برای موادی که رسانای الکتریسیته هستند به کاررود. علاوه براین دقت قطعات ماشینکاری شده به عواملی مانند طرح ابزار، مقدار کنترل اعمال شده بر فرآیند ، پیچیدگی اشکال تولیدی و .... بستگی دارد. ماشینکاری موادی که دارای نقاط سخت ، ذرات ناخالص ، ماسه و پوسته باشند مشکلات اجرایی را ایجاد میکند. ECM تحت بعضی شرایط قادر به تولید اقتصادی تلرانس های ابعادی مطلوب در قطعه کار نیست. این فرآیند نمیتواند گوشه ها

و لبه های تیز ایجاد کند. به منظور غلبه براین مشکل محققان بطور مداوم درگیربهبود تکنولوژی سیستم و تجهیزات ECM هستند.

خواص مکانیکی قطعات ماشینکاری شده توسط ECM :

آگاهی ازتاثیرات ECM بر خواص مکانیکی قطعاتی که توسط این فرآیند ماشینکاری

شده اند اهمیت بسیاری دارد و به مقدار زیادی بر استفاده از آن در صنایع مختلف تاثیر گذار می باشد.به سختی می توان مدرکی دال بر تردی هیدروژنی قطعات ماشینکاری شده توسطECM یافت. دلیل اصلی این مطلب این است که در حالیکه برداشت فلز دراثر تجزیه آندی درآند صورت می گیرد، هیدروژن در کاتد ظاهر می شود. گزارش شده است که فرآیند مورد بحث تاثیری برشکل پذیری،استحکام تسلیم،استحکام نهایی و میکرو سختی قطعات ماشینکاری شده ندارد.

لایه های سطحی صدمه دیده در حین ماشینکاری قراردادی یا توسط فرآیندهای دیگر را

می توان با استفاده از این فرآیند برداشت و به این ترتیب خواص قطعه کار را بهبود بخشد.

با وجود این، برداشت لایه ها به این طریق از سطح قطعه کار استحکام خستگی قطعات ماشینکاری شده را با روشهای قراردادی را کاهش می دهد. سطوحی که به روش قراردادی ماشینکاری شده اند دارای تنش های پس ماند فشاری هستند که باعث استحکام خستگی بالاتر آنها میشود. این حقیقت بطور تجربی مورد تائید قرارگرفته است. با این حال،استحکام خستگی مورد نیاز را میتوان بعدها دوباره با عملیات مناسب پرداخت مکانیکی دیگری ایجاد نمود. عملیاتهای مکانیکی بعدی در سطح قطعه تنش های فشاری ایجاد می کند. بطوریکه قطعه کار نهایی میتواند خواص خستگی را به گونه ای که قابل مقایسه و یا بهتر از خواص خستگی قطعاتی که به صورت مکانیکی پرداخت شده اند به نمایش بگذارد. پرداخت سطح ایجاد شده توسط ecm ممکن است عامل کاهش خواص خستگی نیز باشد. سطح تولیدی با ecm عموما خواص سایشی ، اصطکاکی و مقاومت در برابر خوردگی بهتری نسبت به سطوحی که توسط روشهای مکانیکی تولید شده اند دارند.