آشکارسازی رازهای دستگاه تراشکاری با تخلیه الکتریکی (EDM) برای ماشینکاری دقیق

چگونه فناوری دستگاه EDM کار می‌کند: اصول خوردگی جرقه‌ای

اساس و اصول ماشینکاری تخلیه الکتریکی (EDM)

تولید با تخلیه الکتریکی (EDM)، که به اختصار EDM نامیده می‌شود، مواد را از طریق جرقه‌های کنترل‌شده الکتریکی و نه با استفاده از روش‌های سنتی برش مکانیکی جدا می‌کند. این روش با تکنیک‌های ماشین‌کاری معمولی متفاوت است، زیرا EDM تنها روی موادی مؤثر است که الکتریسیته را هدایت کنند؛ در نتیجه برای کار با فلزات سختی مانند تیتانیوم یا آلیاژهای کاربید که به صورت معمولی ماشین‌کاری آن‌ها دشوار است، بسیار مفید می‌باشد. در حین فرآیند، یک الکترود به عنوان ابزار و قطعه کار درون مایع دی الکتریک قرار دارند. این مایع خاص معمولاً به عنوان عایق عمل می‌کند، اما زمانی که ولتاژ کافی بین دو قطعه ایجاد شود، این عایق از بین رفته و جرقه‌های ریزی ایجاد می‌شوند که تمام کار برش را انجام می‌دهند.

چگونه EDM با استفاده از جرقه‌های الکتریکی فلز را از بین می‌برد

هنگامی که ولتاژ بین الکترود و قطعه کار اعمال می‌شود، میدان‌های الکتریکی شدید، سیال دی‌الکتریک را یونیزه کرده و کانال پلاسمایی هادی ایجاد می‌کنند. جرقه‌ها دمای محلی بالاتر از ۱۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد تولید می‌کنند و ذرات ریز مواد را به بخار تبدیل می‌کنند. این چرخه هزاران بار در ثانیه تکرار می‌شود و به تدریج قطعه کار را با دقت میکرونی شکل می‌دهد.

پدیده فرسایش جرقه‌ای در ماشین‌کاری بدون تماس

فرآیند ماشینکاری تخلیه الکتریکی (EDM) بدون تماس فیزیکی بین ابزار و قطعهای که در حال برش است انجام میشود، بنابراین عملاً هیچ تنش مکانیکی یا سایش ابزار در طول زمان رخ نمیدهد. مایع خاصی که در اینجا استفاده میشود دو عمل اصلی را همزمان انجام میدهد: جرقه‌هایی که برش را انجام می‌دهند را کنترل می‌کند و همچنین ذرات ریزی که در حین فرآیند جدا می‌شوند را شستشو می‌دهد. وقتی تولیدکنندگان جریان این مایع را به‌درستی تنظیم کنند، می‌توانند بهبود حدود ۴۰ درصدی در کیفیت سطح قطعات مشاهده کنند، به‌ویژه هنگام کار با مواد بسیار سخت مثل فولاد سخت‌شده. آنچه EDM را متمایز می‌کند، امکان ایجاد اشکال بسیار پیچیده توسط مهندسان است که با روش‌های ماشینکاری متداول تقریباً غیرممکن خواهد بود. به عنوان مثال، سوراخ‌های ریز خنک‌کننده داخل پره‌های موتور جت که باید دقیقاً در مکان مناسب قرار گیرند تا حداکثر بازدهی را داشته باشند — چیزی که روش‌های سنتی قادر به انجام آن نیستند.

انواع دستگاه‌های EDM: سیمی، غوطه‌وری و سوراخ‌زنی

تولید مدرن به سه نوع اصلی ماشین edm پیکربندی‌ها: ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی سیمی، ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی غوطه‌ور (که به آن ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی رام نیز می‌گویند) و ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی سوراخ‌زنی. هر نوع از تخلیه‌های الکتریکی کنترل‌شده برای خراش دادن مواد رسانا استفاده می‌کند، اما کاربردها و مکانیک آن‌ها به‌طور قابل توجهی متفاوت است.

انواع ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی: ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی سیمی، ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی غوطه‌ور و ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی سوراخ‌زنی

• سیم EDM از یک رشته برنجی با قطر پیوسته (۰٫۰۵ تا ۰٫۳۵ میلی‌متر) برای برش دادن طرح‌های پیچیده دو بعدی در فلزات سخت‌شده استفاده می‌کند.
• سینکر EDM یک الکترود شکل‌داده از گرافیت/مس و قطعه کار را در مایع دی‌الکتریک غوطه‌ور می‌کند تا حفره‌های سه‌بعدی پیچیده ایجاد شوند.
• ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی سوراخ‌زنی الکترودهای لوله‌ای را می‌چرخاند تا سوراخ‌های دقیق در حد میکرون برای کانال‌های خنک‌کننده در پره‌های توربین هوافضا یا ایمپلنت‌های پزشکی ایجاد کند.

اصول و مکانیک فرآیند ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی سیمی

ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی سیمی بر پایه دقت عمل می‌کند. همان‌طور که در گزارش طبقه‌بندی فرآیند ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی سال ۲۰۲۴ توضیح داده شده، سیم هرگز با قطعه کار تماس فیزیکی ندارد و بنابراین تنش مکانیکی حذف می‌شود. جرقه‌های ایجاد شده بین سیم و ماده، ذرات ریز را ذوب می‌کنند، در حالی که مایع دی‌الکتریک ذرات پرت شده را خارج می‌کند و دما را پایدار می‌سازد.

توانایی‌های ماشینکاری تخلیه الکتریکی در برش اشکال دو بعدی پیچیده و قطعات تورفتۀ پیچیده

این روش در برش آلیاژهای تیتانیوم یا کاربیدها به ابعاد با تلرانس ±0.005 میلی‌متر عملکرد برجسته‌ای دارد. رویکرد بدون تماس آن از انحراف ابزار جلوگیری می‌کند و آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای قالب‌های نورد، چرخ‌دنده‌ها و قطعاتی که نیاز به لبه‌های تیز یا هندسه‌های شکننده دارند، تبدیل می‌کند.

ماشینکاری تخلیه الکتریکی حفره‌سازی: کاربردها در قطعات هوافضا و پزشکی

ماشینکاری تخلیه الکتریکی حفره‌سازی قادر است سوراخ‌هایی به قطر 0.1 تا 3 میلی‌متر در مواد سخت‌شده مانند اینکونل ایجاد کند. شرکت‌های هوافضا از آن برای کانال‌های نازل سوخت استفاده می‌کنند، در حالی که سازندگان دستگاه‌های پزشکی به آن برای ایجاد بازشو در ابزارهای جراحی متکی هستند — کاربردهایی که در آن‌ها استفاده از لیزر یا روش‌های مکانیکی ممکن است منجر به تغییر شکل حرارتی یا شکستن ابزار شود.

دستیابی به دقت در سطح میکرون با دستگاه ماشینکاری تخلیه الکتریکی

تلرانس‌ها و دقت ماشینکاری برش سیمی تخلیه الکتریکی: دستیابی به دقت در سطح میکرومتر

دستگاه‌های EDM سیمی امروزی می‌توانند دقت بسیار بالایی در حدود ±۱ میکرون یا تقریباً ۰٫۰۰۱ میلی‌متر را برای قطعاتی که دقت در آن‌ها حائز اهمیت است، مانند قطعات هوافضا و ایمپلنت‌های پزشکی، به دست آورند. آخرین داده‌های منتشر شده در گزارش ماشین‌کاری دقیق در سال ۲۰۲۴ نشان می‌دهند که این سیستم‌های پیشرفته ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی میکرومتری از کنترل‌های سروو در سطح نانو و همچنین سطوح انرژی جرقه به دقت مدیریت‌شده استفاده می‌کنند. این امر به آن‌ها اجازه می‌دهد اشکال پیچیده‌ای را بدون ایجاد تغییر شکل زیاد ناشی از حرارت ایجاد کنند. TTH Manufacturing Insights این ادعاها را از طریق تحقیقات خود تأیید می‌کند که نشان می‌دهد حتی هنگام کار با مواد سخت مانند فولاد ابزار سخت‌شده و کاربید، دقت ابعادی در طول عملیات ماشین‌کاری طولانی در حدود ۰٫۰۰۲ میلی‌متر باقی می‌ماند. برای تولیدکنندگانی که با الزامات دقت بالا سروکار دارند، این موضوع نشان‌دهنده پیشرفت بزرگی در آنچه که با فناوری ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی ممکن است، است.

عوامل مؤثر بر دقت EDM: تنظیمات توان، تهویه و سرعت

سه متغیر کلیدی دقت نهایی را تعیین می‌کنند:

• مدت زمان پالس : تخلیه‌های کوتاه‌تر (تا حد 3 نانوثانیه) انتشار حرارت را کاهش داده و لبه‌های تیزتری ایجاد می‌کنند
• فشار مایع دی‌الکتریک : خارج‌کردن بهینه ذرات زائد، بدون انحراف قطعات نازک کار
• ثبات کشش سیم : تغییرات بیش از 0.5 نیوتن می‌تواند در برش‌های عمیق خطاهایی در حدود ±2 میکرومتر ایجاد کند

نقش تنظیمات ماشین و پارامترها در حفظ دقت بالا

دستیابی به نتایج یکنواخت مستلزم تعادل بین سرعت و وفاداری است. به عنوان مثال، کاهش سرعت پیشروی سیم از 12 متر/دقیقه به 8 متر/دقیقه، صافی سطح را به Ra 0.4 میکرومتر بهبود می‌بخشد، اما زمان چرخه را به میزان 35٪ افزایش می‌دهد. سیستم‌های بهینه‌سازی خودکار پارامترها اکنون به‌صورت پویا فرکانس جرقه و زمان خاموشی را تنظیم می‌کنند و دقت موقعیتی ±0.005 میلی‌متر را در محدوده حرکت 500 میلی‌متری به دست می‌آورند.

تیغه‌برداری با تخلیه الکتریکی (EDM) در مقابل برش لیزری: ارزیابی وضوح و دقت ویژگی‌های ظریف

لیزرهای فیبری قطعاً می‌توانند در زمینه سرعت برش با دستگاه تراشکاری تخلیه الکتریکی (EDM) رقابت کنند و به حدود 200 میلی‌متر بر ثانیه برسند، در حالی که سرعت EDM بسیار کندتر است و بین 10 تا 50 میلی‌متر بر ثانیه متغیر است. اما نقطه‌ای وجود دارد که در آن عملکرد آنها کافی نیست: دستیابی به نتایج یکنواخت در سطح میکرون روی مواد بازتابنده. آخرین تحقیقات سال 2023 نشان داد که سیستم‌های لیزری هنگام کار روی براکت‌های تیتانیومی پرچالش مورد استفاده در قطعات هوافضا، دچار نوسان حدود مثبت و منفی 0.015 میلی‌متر می‌شوند. در همین حال، EDM در محدوده باریک‌تری معادل مثبت و منفی 0.003 میلی‌متر به طور کامل پایدار باقی می‌ماند. و همچنین نباید لایه‌های بازچینشی (recast layers) که لیزرها در حین فرآیند حرارتی ایجاد می‌کنند را فراموش کرد؛ این لایه‌ها می‌توانند در مونتاژهای دقیق که تحمل‌های ابعادی بسیار کمی دارند، مشکلات جدی ایجاد کنند. همین موضوع دلیل دیگری است که بسیاری از کارگاه‌ها همچنان به دستگاه قدیمی و معتبر EDM برای مهم‌ترین کارهای خود اتکا می‌کنند.

مزایای دستگاه تراشکاری تخلیه الکتریکی (EDM) نسبت به روش‌های ماشین‌کاری متعارف

مزایای ماشین‌کاری بدون تماس در دستگاه تراشکاری تخلیه الکتریکی (EDM)

تکنولوژی تخلیه الکتریکی (EDM) به‌صورت متفاوتی نسبت به فرزکاری معمولی عمل می‌کند، زیرا هیچ تماس مستقیمی بین ابزار و قطعه کار وجود ندارد. بر اساس برخی تحقیقات CIRP در سال 2022، این روش تنش مکانیکی را در مقایسه با روش‌های سنتی حدود سه‌چهارم کاهش می‌دهد. عدم تماس فیزیکی امکان ماشین‌کاری اشکال بسیار ظریفی مانند دیواره‌های نازک یا حفره‌های بسیار کوچک را فراهم می‌کند که در شرایط عادی تحت ارتعاشات دچار پیچش یا تغییر شکل می‌شوند. به عنوان مثال، در مورد ایمپلنت‌های پزشکی. شرکت‌های تولیدکننده این محصولات اکنون قادرند اسکافلدهای استخوانی با منافذی به فاصله تنها ۱۵۰ میکرون از یکدیگر تولید کنند و در عین حال در طول فرآیند تولید، استحکام ساختاری کاملی را حفظ نمایند. این امر امکانات جدیدی را در ساخت ایمپلنت‌هایی که ساختار طبیعی استخوان را بهتر شبیه‌سازی می‌کنند، فراهم کرده است.

حذف سایش ابزار و تغییر شکل مواد با استفاده از EDM

تکنیک‌های رایج ماشین‌کاری تمایل دارند در هر ساعت حدود 0.3 میلی‌متر از ماده ابزار را در عملیات فولاد سخت‌شده از دست بدهند. در مقایسه، الکترودهای EDM در شرایط مشابه تنها حدود 0.02 میلی‌متر در ساعت ساییده می‌شوند. این موضوع به معنای برتری تقریبی 15 به 1 در طول عمر ابزار است که به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد در طول کل فرآیند تولید، دقت بالا را در محدوده مثبت و منفی 2 میکرون حفظ کنند. آنچه این موضوع را واقعاً مهم می‌سازد، مایع دی‌الکتریک اطراف قطعه کار است. این محیط خاص از تغییر شکل قطعات ناشی از حرارت جلوگیری می‌کند، چیزی که هنگام کار با آلیاژهای آلومینیومی درجه هوافضا بسیار مهم است. رویکردهای سنتی اغلب به دلیل حرارت تولید شده در فرآیند برش، باعث تغییرات ابعادی بین 25 تا 50 میکرومتر می‌شوند.

مقایسه EDM و ماشین‌کاری سنتی: کارایی، دقت و انعطاف‌پذیری مواد

در حالی که روش‌های متداول در هندسه‌های ساده از نظر سرعت مزیت دارند، دستگاه‌های EDM بر اساس استاندارد ISO 9013 به نرخ موفقیت 98 درصدی در برش اولیه قطعات پیچیده دست می‌یابند. انعطاف‌پذیری مواد تا کاربید تنگستن و آلیاژهای نیکلی سوپرآلیاژها امتداد می‌یابد که در 78 درصد از قطعات توربین‌های مدرن استفاده می‌شوند.

مواد، دی الکتریک‌ها و کاربردهای صنعتی دستگاه EDM

مواد مناسب برای EDM: تیتانیوم، کاربید و سایر آلیاژهای سخت و هادی

فرآیند تخلیه الکتریکی (EDM) زمانی بهترین عملکرد را دارد که با موادی سروکار داشته باشد که استفاده از ابزارهای برش معمولی را دشوار می‌کنند. آلیاژهای تیتانیوم، کاربید تنگستن و انواع فولادهای سخت‌شده که به‌طور گسترده در قطعات هوافضا و ایمپلنت‌های پزشکی به کار می‌روند، نمونه‌هایی از این مواد هستند. این مواد سخت حدود دو سوم کل کارهای EDM را تشکیل می‌دهند، زیرا این فرآیند از جرقه‌های الکتریکی برای سایش مواد بدون اعمال فشار فیزیکی استفاده می‌کند. بخش هوافضا به‌ویژه از این روش برای قطعات ساخته‌شده از آلیاژهای خاص مانند اینکونل استقبال می‌کند، جایی که EDM می‌تواند سطوحی بسیار صاف با زبری کمتر از ۰٫۱ میکرون ایجاد کند — چیزی که ماشین‌کاری معمولی به‌صورت قابل اعتماد قادر به دستیابی به آن نیست. این امر EDM را در تولید دقیق و پیشرفته ضروری می‌سازد، جایی که خواص مواد در غیر این صورت گزینه‌های تولید را محدود می‌کند.

عملکرد و انتخاب مایع دی‌الکتریک برای عملکرد پایدار جرقه

مایع دی الکتریک دو هدف اصلی در فرآیندهای ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی ایفا می‌کند. این مایع به عنوان عایق عمل می‌کند تا از ایجاد جرقه‌های ناخواسته در زمان نامناسب جلوگیری کند و همچنین به عنوان خنک‌کننده عمل می‌کند و ذرات ریز فلزی ایجاد شده در حین برش را شسته و از بین می‌برد. اکثر کارگاه‌ها در ماشین‌کاری غوطه‌وری (Sinker EDM) به روغن‌های هیدروکربنی متمایل هستند، زیرا این روغن‌ها در سرکوب قوس الکتریکی بسیار مؤثرند. در مقابل، عملیات ماشین‌کاری سیمی (Wire EDM) معمولاً از آب دیونیزه استفاده می‌کنند، زیرا این مایع مواد زائد را بسیار سریع‌تر پاک می‌کند. تحقیقات منتشر شده در سال گذشته یافته جالبی درباره اهمیت ویسکوزیته ارائه کردند. بر اساس یافته‌های سال ۲۰۲۳، تغییرات در ضخامت مایع می‌تواند تا حدود سی درصد بر پایداری شکاف جرقه تأثیر بگذارد. این بدین معناست که تولیدکنندگان باید سطح ویسکوزیته مایع دی الکتریک را با دقت انتخاب کنند تا نتایج دقیق و یکنواختی از کارهای ماشین‌کاری دقیق خود به دست آورند.

ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی در صنایع هوافضا، پزشکی و ساخت قالب

1. فضا و هوافضا : ماشین‌های وایر ادم سوراخ‌های خنک‌کننده پره توربین در آلیاژهای نیکل با دقت ±2 میکرومتر را ایجاد می‌کنند.
2. پزشکی : سینکر ادم بافت‌های ایمپلنت ارتوپدی را ایجاد می‌کند که به چسبندگی استخوان کمک می‌کند.
3. ساخت قالب : هندسه‌های پیچیده قالب تزریق در فولادهای ابزار سخت‌شده تراش داده می‌شوند و نیاز به پولیش پس از ماشین‌کاری را تا 50٪ کاهش می‌دهند.

بیش از 45 درصد از سیستم‌های ادم اکنون به این صنایع خدمات می‌دهند که توسط تقاضای قطعات کوچک‌شده و مقاوم در برابر حرارت رونق یافته‌اند.

مطالعه موردی: وایر ادم در تولید پره‌های توربین برای موتورهای جت

یک تولیدکننده پره توربین شاهد کاهش تقریباً یک‌چهارمی نرخ بازکاری خود پس از انتقال به کنترل‌های تطبیقی EDM سیمی بود. آن‌ها توانستند لبه‌های ایرفویل را بسیار تیز کنند، در واقع کمتر از ۱۰ میکرون، حتی با وجود اینکه با ماده اینکونل ۷۱۸ کار می‌کردند که حدود ۳۰ درصد سخت‌تر از مواد هوافضای معمولی است. سطح جزئیات مهم است زیرا به موتورهای جت کمک می‌کند تا آزمون‌های FAA مربوط به نحوه گسترش ترک‌ها در طول زمان را پشت سر بگذارند. و صادقانه بگوییم، هیچ فناوری دیگری در دسترس نیست که بتواند این نوع الزامات دقیق را برای قطعاتی که شکست در آن‌ها غیرقابل قبول است، مدیریت کند.

‫سوالات متداول‬

ماشین‌کاری EDM چیست؟

ماشین‌کاری EDM شامل برداشتن ماده از طریق جرقه‌های الکتریکی کنترل‌شده است که امکان ماشین‌کاری مواد رسانای الکتریکی مانند تیتانیوم و آلیاژهای کاربید را فراهم می‌کند.

انواع اصلی ماشین‌های EDM چیست؟

انواع اصلی عبارتند از EDM سیمی، EDM غوطه‌وری (سینکر) و EDM سوراخ‌زنی، که هر کدام کاربردها و روش‌های منحصر به فردی برای خورد کردن مواد دارند.

روش EDM چگونه دقت بالایی را فراهم می کند؟

فرآیند تخلیه الکتریکی (EDM) با پردازش بدون تماس، کنترل انرژی جرقه و استفاده بهینه از مایع دی‌الکتریک، دقت بسیار بالایی دارد و قادر است تا به محدوده تحمل ±۱ میکرون نیز برسد.

چه موادی برای فرآیند تخلیه الکتریکی (EDM) مناسب هستند؟

موادی مانند تیتانیوم، کاربید و فلزات سخت‌شده به دلیل هدایت الکتریکی خود ایده‌آل برای EDM هستند و امکان ماشین‌کاری آنها بدون تماس فیزیکی را آسان می‌کنند.

چرا باید از فرآیند تخلیه الکتریکی (EDM) به جای ماشین‌کاری سنتی استفاده کرد؟

فرآیند تخلیه الکتریکی (EDM) مزایایی مانند سایش کمتر ابزار، کاهش تغییر شکل ماده و توانایی ماشین‌کاری قطعات پیچیده یا ظریف با دقت بالا ارائه می‌دهد.