جدو ل ۳-۲- جدول آنالیز واریانس برای یک آرایه متعامد L9 با چهار فاکتور کنترلی ۵۵
جدول ۴-۱- آنالیز واریانس برای نرخ براده‌برداری در مرحله اول آزمایش‌ها ۶۲
جدول ۴-۲- مقدار فاکتورهای ورودی برای رسیدن به مقدار بهینه نرخ براده‌برداری در مرحله اول آزمایش‌ها ۶۲
جدول ۴-۳- آنالیز واریانس برای نرخ سایش ابزار در مرحله اول آزمایش‌ها ۶۵
جدول ۴-۴- مقدار فاکتورهای ورودی برای رسیدن به مقدار بهینه نرخ سایش ابزار در مرحله اول آزمایش‌ها ۶۵
جدول ۴-۵- آنالیز واریانس برای زبری سطح در مرحله اول آزمایش‌ها ۶۸
جدول ۴-۶- مقدار فاکتورهای ورودی برای رسیدن به مقدار بهینه زبری سطح در مرحله اول آزمایش‌ها ۶۸
جدول ۴-۷- آنالیز واریانس برای نرخ براده‌برداری در مرحله دوم آزمایش‌ها ۷۱
جدول ۴-۸- مقدار فاکتورهای ورودی برای رسیدن به مقدار بهینه نرخ براده‌برداری در مرحله دوم آزمایش‌ها ۷۱
جدول ۴-۹- آنالیز واریانس برای نرخ سایش ابزار در مرحله دوم آزمایش‌ها ۷۴
جدول ۴-۱۰- مقدار فاکتورهای ورودی برای رسیدن به مقدار بهینه نرخ سایش ابزار در مرحله دوم آزمایش‌ها ۷۴
جدول ۴-۱۱- آنالیز واریانس برای زبری سطح در مرحله دوم آزمایش‌ها ۷۷
جدول ۴-۱۲- مقدار فاکتورهای ورودی برای رسیدن به مقدار بهینه زبری سطح در مرحله دوم آزمایش‌ها ۷۷
فصل اول
کلیات
۱-۱- مقدمه
فرآیندهای ماشینکاری، شکل‌دهی و ریخته‌گری از جمله فرآیندهای پرکاربرد مورد استفاده در تولید قطعات صنعتی می‌باشند که هر کدام از این فرآیندها دارای ویژگی‌ها، مزایا و معایب خاصی هستند ]۱٫[ فرایند ماشینکاری، برداشت براده از قطعه‌کار برای تولید هندسه‌ای خاص با درجه‌ی خاصی از دقت و صافی سطح است. یکی از ویژگی‌های فرایند ماشینکاری که آن را از فرآیندهای دیگر متمایز می‌کند، کم شدن وزن و حجم قطعه‌کار در اثر براده‌برداری از آن است ]۲٫[
قدمت روش‌های براده‌برداری به زمان‌های قدیم می‌رسد و زمانی که مردم اولیه قطعات مورد نیازشان را توسط دست یا ابزار تهیه شده از جنس استخوان، چوب یا سنگ بریده و تولید می‌کردند. تا قرن هفدهم، قطعات مورد نیاز مثل واگن‌ها، قایق‌ها و لوازم ابتدایی، توسط همین ابزار‌های ساده و ابتدایی و روش‌های مکانیکی بسیار ساده ساخته می‌شدند. با به عرصه آمدن آب، بخار و سپس برق به عنوان منابع انرژی جدید و با کاربرد فولاد‌‌های آلیاژی بهسازی شده در ساخت ابزارها، در قرن هجدهم و نوزدهم، صنعت ماشین‌ابزار پا به عرصه وجود گذاشت و ماشین ابزار‌های مختلفی مانند ماشین‌تراش، داخل‌تراش، صفحه‌تراش، ماشین‌های مته، ماشین‌های فرز، ماشین‌های سنگ‌زنی، ماشین‌های ابزار هونینگ[۱]، بورینگ[۲] و ماشین‌های مخصوص، در تولید قطعات مختلف استفاده شدند ]۳٫[
در همه فرآیندهای ماشینکاری سنتی[۳] باید ابزاری سخت‌تر از قطعه‌کار حضور داشته باشد و این ابزار باید تا عمق معینی در قطعه‌کار نفوذ کند. در ضمن، ابزار و قطعه‌کار باید نسبت به هم حرکت داشته باشند تا عملیات براده‌برداری انجام گیرد. فرآیندهای ماشینکاری سنتی را می توان به دو دسته زیر تقسیم‌بندی کرد ]۲:[
-
- ماشینکاری از طریق برش مانند تراشکاری و فرزکاری
-
- ماشینکاری از طریق سایش مانند سنگ‌زنی
با پیشرفت تکنولوژی و صنایع مختلفی مانند خودروسازی، هوا و فضا و ساخت راکتورهای هسته‌ای در قرن نوزدهم و بیستم، نیاز به موادی با استحکام بالا، سخت، دارای چقرمگی و نسبت استحکام به وزن بالا مانند آلیاژهای مقاوم در برابر دماهای بالا، سرامیک‌ها، کاربیدها، استلیت‌ها[۴] (آلیاژهای پایه کبالت) و کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف، تبدیل به نیازی اساسی شد. افزایش سختی جنس قطعه‌کار در فرآیندهای ماشینکاری سنتی، مشکلاتی را مانند کاهش سرعت برشی و در نتیجه مقرون به صرفه نبودن اقتصادی را به دنبال دارد بطوریکه در برخی موارد، ابزار نمی‌تواند از مواد سخت قطعه‌کار براده‌برداری کند. از طرفی، دستیابی به جنس ابزاری که به اندازه کافی سخت باشد تا بتواند از مواد با استحکام بالا براده‌برداری کند، امکان‌پذیر نیست. همچنین، نیاز‌های دیگری مانند صافی سطح بهتر، دقت هندسی بیشتر، نرخ تولید بالاتر، توانایی ماشینکاری اشکال پیچیده، ماشینکاری در مقیاس‌های خیلی کوچک، ماشینکاری نقاطی از قطعه‌کار که دسترسی به آنها دشوار است و با روش‌های سنتی امکان براده‌برداری از آنها وجود ندارد، ایجاد سوراخ‌های با زاویه‌ی ورودی کم، سوراخ‌های غیر دایروی و منحنی شکل و سوراخ‌های بدون پلیسه در مواد سخت و با استحکام بالا، به رشد و توسعه فرایند‌های براده‌برداری جدیدی بنام فرایند‌های ماشینکاری پیشرفته[۵] (مدرن یا غیر سنتی) منجر شد ]۴٫[
در فرآیندهای پیشرفته ماشینکاری، ابزار برشی سطح قطعه‌کار را نمی‌تراشد، بلکه از انرژی بصورت مستقیم، برای برداشت ماده از قطعه‌کار استفاده می‌شود. دامنه کاربرد فرایند‌های پیشرفته ماشینکاری را خواص قطعه‌کار مانند رسانایی الکتریکی، رسانایی حرارتی و دمای ذوب، تعیین می‌کنند ]۵٫[
فرآیندهای پیشرفته ماشینکاری را می توان به دسته‌ه ای مکانیکی، ترمو‌الکتریکی، الکتروشیمیایی و شیمیایی تقسیم بندی کرد. فرایند ماشینکاری با تخلیه الکتریکی[۶]، ماشینکاری التراسونیک[۷] و ماشینکاری الکتروشیمیایی[۸] نمونه‌هایی از فرآیندهای پیشرفته ماشینکاری می‌باشند. در ادامه، فرایند ماشینکاری با تخلیه الکتریکی بطور مختصر بررسی می‌شود ]۴٫[
۱-۲- تاریخچه فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی
سر جوزف پرستیلی در سال ۱۷۶۸، برای اولین بار سایش فلز با تخلیه‌های جرقه‌ای (اسپارک)[۹] را تجربه کرد. بیش از صد سال سپری شد تا از این اثر استفاده عملی شود، تا اینکه در سال ۱۹۴۳، دو فرد روسی به نامهای بی . آر و ان . آی . لازارنکو، نتیجه گرفتند که از تخلیه جرقه می‌توان برای ماشینکاری مواد جدیدی که شکل‌دهی آنها با روش‌های قبلی مشکل است، استفاده کرد ]۶٫[
۱-۳- مکانیزم براده‌برداری فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی
دو الکترود فلزی که یکی از آنها به شکل از پیش تعیین شده (ابزار) و دیگری قطعه‌کار است، در یک سیال دی‌الکتریک مثل نفت، غوطه‌ور می‌شوند. یکسری پالس ولتاژ، اغلب به شکل مستطیل با فرکانس KHZ5، بین دو الکترود که با فاصله کوچکی (mm ۰۱/۰-۵/۰) از هم جدا شده‌اند، اعمال می‌شود. استفاده از این پالس‌های ولتاژ در چنین فاصله کمی باعث تجزیه الکتریکی دی‌الکتریک بصورت موضعی می‌شود. این پدیده در یک کانال به شعاع تقریبی ۱۰(کانال پلاسما)[۱۰] اتفاق می افتد. علت این تجزیه الکتریکی، شتاب‌گیری الکترون‌های خروجی از کاتد به سمت آند، بر اثر میدان الکتریکی موثر است. این الکترون‌ها با اتم‌های خنثی دی‌الکتریک برخورد کرده و یون‌های مثبت و منفی بیشتری ایجاد می‌کنند که آنها نیز به ترتیب به سمت کاتد و آند شتاب می گیرند. هنگامی‌که الکترون‌ها و یون‌های مثبت به آند و کاتد می‌رسند، انرژی جنبشی خود را به صورت گرما از دست می‌دهند، بطوریکه دستیابی به دمای °C8000 -12000 در الکترودها امکان‌پذیر است. بنابراین با جرقه‌های بسیار کوتاه‌‌مدت، دمای موضعی الکترون‌ها به بیش از نقطه ذوب طبیعی آنها می‌رسد. به علت تبخیر دی‌الکتریک، فشار در کانال پلاسما به سرعت به مقدار حدود bar ۲۰۰ افزایش پیدا می‌کند. اگر‌چه این فشار بالا از تبخیر فلز فوق گرم جلوگیری می‌کند، ولی با این وجود، هنگامی‌که ولتاژ در پایان پالس برداشته می‌شود، فشار ناگهان افت کرده و فلز فوق گرم تبخیر می‌شود و به این ترتیب فلز از الکترودها برداشته می‌شود. رابطه بین مقادیر فلز برداشته شده از آند و کاتد به سهم نسبی الکترون‌ها و یون‌های مثبت در کل جریان بستگی دارد. چون جرم یون‌های مثبت ۱۰۰۰۰ برابر بیشتر از الکترون‌ها بوده و سخت‌تر حرکت می‌کنند، در مراحل اولیه تخلیه، جریان الکترون غالب است، بنابراین ابتدا سایش آند (قطعه‌کار) بیش از کاتد است، اما در ادامه و با پیشرفت فرایند، پهنای کانال پلاسما زیاد شده و شدت جریان در دهانه بین‌الکترودی کم می‌شود، به این ترتیب، بر اثر کاهش الکترون‌ها، سهم یون‌های مثبت بیشتر شده و با افزایش جریان یون‌های مثبت، مقدار فلز بیشتری از کاتد (ابزار) برداشته می‌شود و سایش کاتد بیشتر می‌گردد. بنابراین با توجه به نیاز به پرداخت‌کاری یا خشن‌کاری، قطبیت[۱۱] ابزار و قطعه‌کار مشخص می‌شود. جرقه‌ها عموماً در مناطقی که میدان الکتریکی موضعی بیشتر است، تولید شده و هر جرقه مقدار کمی از فلز روی الکتروهای ابزار و قطعه‌کار را برمی‌دارد. با حرکت پیشرو ابزار به سمت قطعه‌کار که با یک سیستم کمکی الکترونیکی انجام می‌شود، تصویر الکترود ابزار (که به شکل قطعه‌کار نهایی ساخته شده) بر روی قطعه‌کار ایجاد می‌شود ]۷، ۸ و ۹٫[
۱-۴- پارامترهای ورودی و خروجی فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی
۱-۴-۱- متغیرهای ورودی فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی
این متغیرها را می‌توان در سه گروه زیر دسته‌بندی نمود ]۸:[
الف) متغیرهای الکتریکی شامل ولتاژ، جریان الکتریکی، زمان روشنی پالس (Ton)، زمان خاموشی پالس (Toff)، قطبیت الکترود و قطعه کار
ب) متغیرهای فیزیکی شامل شکل و اندازه الکترود، دقت و استحکام دینامیکی و پایداری ماشین، سیستم کنترل سروو[۱۲]، سینماتیک حرکت الکترود، مشخصات دی‌الکتریک مانند جریان، نوع جریان، میزان ناخالصی‌ها و ذرات معلق موجود در دی الکتریک، فشار و درجه حرارت آن
ج) جنس الکترود ابزار، قطعه‌کار و دی‌الکتریک
۱-۴-۲- متغیرهای خروجی فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی
عمده‌ترین متغیرهای خروجی که در واقع مشخصه های خروجی فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی می باشند، عبارتند از:] ۸ [
الف) نرخ براده‌برداری (MRR)
ب) نرخ سایش ابزار(TWR)
ج) صافی سطح به دست‌آمده (Ra)
د) دقت ابعادی به دست‌آمده برای قطعه‌کار
ه) سلامتی سطح ماشینکاری شده[۱۳]
۱-۵- مزایای فرایند ماشینکاری تخلیه الکتریکی
-
- عدم تماس بین قطعه‌کار و الکترود و توانایی ایجاد دیواره‌های نازک و اشکال ظریف
- توانایی تولید قطعات دارای شکل پیچیده، با دقت بالا
