ماشین کار با اسپارک واژه‌ای است که در ساخت قالب برای قالب سازی پلاستیک یا به عبارتی ساخت قالب تزریق پلاستیک، زیاد شنیده اید. زمانی که عملیات ساخت قالب انجام می شود برای تمیز کاری و حذف اضافات از سطح قالب از این روش استفاده می کنند که به آن ماشین کاری یا برداده برداری می گویند. برای آشنایی با ماشین کاری و روش های مختلف آن خصوصاً اسپارک در ادامه مقاله با ما همراه باشید.
ماشینکاری یا براده‌برداری برای قالب تزریق پلاستیک
ماشینکاری (براده‌برداری) یک روش غیر سنتی است و امری مهم و حیاتی در صنعت است و امروزه از روش‌های مختلفی مانند فرزکاری، تراشکاری، واترجت، لیزر، اسپارک و غیره برای براده‌برداری و شکل‌دهی اجسام استفاده میشود.
هرکدام از روش‌های بیان شده مزیت‌های خاص خود را دارند و نمی‌توان در تمام شرایط و برای تمام مواد (Materials) از یک روش استفاده کرد به عنوان مثال لیزر برای برش فلزات (ضخامت خیلی زیاد نباشد) بسیار مناسب است اما برای حکاکی روی فلزات مناسب نیست یا برای ماشینکاری و حکاکی روی یک پایه‌ی مبل (چوب) از سی آن سی فرز استفاده میشود.
ماشینکاری با روش تخلیه‌ی الکتریکی (EDM) Electrical Discharge Machining
نیز یکی از روش‌های براده‌برداری به معنای ماشینکاری تخلیه‌ی الکتریکی است که یکی از جدیدترین روش هایی است که به روش های قالب سازی اضافه شده است. ماشین کاری با اسپارک روشی است که در آن از فولاد و یا بقیه فلزات می توان با روش تخلیه الکتریکی براده برداری نمود. اسپارک یک عمل موضعی است و با تناوب زمانی، براده ها به صورت حجم کوچک فلزی به تدریج توسط جرقه های الکتریکی از قطعه کار برداشته می شوند.
جرقه ها بین الکترود( که معمولا مسی یا گرافیتی است ) و قطعه کار که فاصله کم و کنترل شده ای با هم دارند ایجاد می شوند . الکترود به فرم مورد نظر ساخته میشود و با پیشروی آن در قطعه کار در نهایت حفره ای ایجاد میشود . هیچ تماس مستقیمی بین الکترود و قطعه کار وجود ندارد . یک مایع دی الکتریک ,غالبا از مواد نفتی سبک فاصله بین الکترود و قطعه کار را پر کرده و محیط مناسبی برای تولید جرقه ها ایجاد میکند . هم الکترود و هم قطعه کار الزاماً باید هادی الکتریسیته باشند
نکته‌ی مهم در براده‌برداری به این روش، آهنگ جدا شدن فلز یا براده برداری است که به رسانایی الکتریکی قطعه کار بستگی دارد نه سختی قطعه‌کار و همین امر مزیتی بزرگ برای استفاده از این روش در ماشینکاری قطعه‌کارهای سخت (براده‌برداری سخت) است.
اجزای تشکیل دهنده‌ی اسپارک در ساخت قالب تزریق پلاستیک
-
الکترود:
قطب مثبت یا منفی است.
-
قطعه کار:
قطب منفی یا مثبت است.
-
منبع تامین جریان:
همانطور که مشخص است وظیفه‌ی آن تامین انرژی لازم و ایجاد جریان با ولتاژ مناسب بین دو قطب (ابزارکار و قطعه‌کار) است.
-
سیال دی الکتریک:
برای ایجاد محیط مناسب جهت جرقه‌زنی، کاهش دمای قطعه‌کار، جلوگیری از آتش گرفتن ناشی از جرقه‌زنی و تمیز نمودن سطوح قطعه‌کار استفاده میشود.
-
ماده‌ی دی الکتریک :
برای اسپارک از هوا، آب و مشتقات نفتی مانند نفت سفید به عنوان ماده‌ی دی الکتریک استفاده میشود. در ابتدای کشف اسپارک در روسیه از هوا به‌عنوان دی الکتریک استفاده شد امروزه بیشتر از مشتقات نفت که مزایای بیشتری نسبت به هوا و آب دارند، استفاده میشود. از مزیت‌های مشتقات نفتی می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
استحکام زیاد
+ استفاده از فاصله‌‌های کمتر برای براده‌برداری
+ کیفیت بالاتر عملیات براده‌برداری
+ خنک‌کاری مناسب قطعه‌کار و ابزارکار (الکترود)
+ تمیزکاری مناسب قطعه‌کار
جداسازی یکی از مهمترین فواید دی الکتریک عایق سازی بین الکترود و قطعه کار است. دی الکتریک باعث باریک شدن پهنای کانال جرقه نیز میشود که این به نوبه خود باعث بالا رفتن کیفیت سطح اسپارک میشود.
سیال انتخاب شده باید تازمان وقوع شکست الکتریکی غیر رسانا باقی بماند. زمانی که ولتاژ فاصله هوائی به ولتاژ یونیزاسیون رسید ، سیال باید سریع بشکند ( شکست الکتریکی ) و پس از عمل تخلیه باز سریع غیر یونیزه گردد (جمله محاوره ای است و باید ویرایش شود). گرمای نهان تبخیر سیال باید بزرگ باشد تا تنها یک قسمت کوچکی از دی الکتریک تبخیر شود و کانال اسپارک سطح کوچکی را به خود اختصاص می‌دهد. در نتیجه آن چگالی انرژی بالا می‌رود و دانه بندی اسپارک ریزتر گردد.
خنک سازی دمای جرقه اسپارک در سطح الکترود و قطعه کار مقداری بین ۸,۰۰۰-۱۲,۰۰۰° C دارد این گرمای بالا قطعه کار را سریع ذوب میکند که دی الکتریک باید هر دو سطح را خنک سازد. اگر الکترود خنک نگه داشته شود خوردگی آن نِیز کاهش می‌یابد.
جابجایی ذرات براده برداری شده
شرایط لازم دی الکتریک
به‌طور تئوریک همه مایعاتی که عایق باشند می‌توانند به‌عنوان دی الکتریک مورد استفاده قرار گیرند. یک دی الکتریک باید شرایط زیر را داشته باشد:
فرسایش: فرسایش زیاد قطعه کار داشته باشد در حالی که فرسایش الکترود توسط یون های آن کم باشد. ( یون‌های مثبت آن بسیار سنگین‌تر از یون‌های منفی آن باشد)
تأثیر بر سلامتی: تحریک پوستی نداشته باشد، سمی نباشد، دود تولید نکند و بوی بد نداشته باشد. هیدروکربن‌های اشباع نشده بر پوست تأثیر دارند و نباید بکار برده شوند. بر روی وان اسپارک یک سیستم تهویه باید نصب شود مگر در مواردی که اسپارک فقط برای پرداخت بکار می‌رود.
نقطه اشتعال:
دی الکتریک نباید زود بخار شده و مشتعل شود. مایعات با درجه اشتعال پائین تر، گازهای زیادی را تولید می‌کنند که این گازها سرعت ماشین کاری را پائین آورده و احتمال آتش گرفتگی را بالا می برد.
چگالی: مواد با چگالی بالا نرخ براده برداری بالائی دارند. چگالی مواد معمولا در دمای ۱۵ درجه سانتی‌گراد محاسبه میشوند. دی‌الکتریک‌های مورد استفاده امروزی چگالی بین ۷۵/۰الی۸۵/۰ دارند.
چسبندگی یا ویسکوزیته: ویسکوزیته، فاکتور بسیار مهمی است. روغن با ویسکوزیته بالا برای این نوع ماشین کاری مناسب نمی‌باشد، زیرا چرخش روغن ما بین فاصله هوائی بسیار کوچک به سختی صورت می‌گیرد.
تعلیق ذرات: ذراتی که از قطعه کار یا الکترود برداشته میشوند بخصوص کربن درنواحی مختلف ایجاد ناخالصی میکند. دی الکتریک باید این ناخالصی‌ها را از روی ناحیه کار دور کند. بهتر است مقدار کمی از این ناخالصی‌ها برای براده برداری بهتر روی ناحیه کار باقی بمانند اما غلظت ناخالصی‌ها نباید بالا باشد. افزایش غلظت ناخالصی‌ها موجب بروز معادل نوشته شود arc میشود. به عبارت دیگر ذرات میِکرونی موجب کاهش سرعت براده برداری میشوند و اضافه کردن مقداری ناخالصی به دی الکتریک خالص سرعت براده برداری آن را بالا می‌برد.
رنگ و واشرهای ماشین را حل نکند.
عمر بالا : در دسترس بودن و در نهایت قیمت، دیگر پارامترهای مهم اسپارک در ساخت قالب تزریق پلاستیک هستند.
-
روغن مخصوص EDM
این نوع از روغن دارای رنگی روشن، ویسکوزیته پائین، نقطه اشتعال بالا و بدون بو و فاقد مواد آروماتیک می‌باشد. همچنین ذرات به‌راحتی فیلتر شده و جابجا می گردند. از جمله خواص دیگر این ماده ضد اکسیداسیون بودن آن است که رسوب را کاهش می‌دهد.
- محورZ :
شانه ماشین (Rack & Pinion) توسط سرو موتور (دقت بالا) به سمت پایین تا فاصله معینی بین ابزارکار و قطعه‌کار حرکت میکند. در این نقطه دی الکتریک بین الکترود و قطعه‌کار قطع شده و عملیات اسپارک شروع میشود. در هر بار عمل جرقه، الکترود بالا و پایین می‌آید و هم‌زمان توسط مایع، قطعات جدا شده از روی قطعه‌کار تمیز میشود؛ سپس الکترود توسط سروو موتور و شانه دوباره پایین آورده میشود اما این بار به دلیل خوردگی قطعه‌کار (و الکترود)، میزان پایین آمدن آن بیشتر از کورس قبلی است. دوباره اسپارک در یک عمق بیشتر عمل می‌نماید و ذرات بیشتری از قطعه‌کار را بر‌می‌دارد. این کار ادامه می‌یابد تا عمق مورد نظر باربرداری شود.
روش کار در اسپارک در ساخت قالب چگونه است؟
قطعه کار که معمولا همان اینسرت قالب است، روی یک صفحه در محلول دی الکتریک غوطه‌ور‌است (معمولا نفت). مخزن روی پایه ماشین نصب شده است. الکترود که کاملاً متناسب با حفره است (مشابه هاب) روی گلویی ماشین نصب شده و گلویی نیز به یک سیستم
پینیون چرخ شانه متصل است. یک سر و موتور شانه را توسط یک پینیون تحریک می کند. بنابراین ابزار نسبت به قطعه کار حرکت عمودی می کند. قطعه کار و ابزار هر دو به یک منبع الکتریکی متصل هستند. الکترود قطب منفی و قطعه کار قطب مثبت است.
شانه ماشین توسط سرو موتور به سمت پایین تا فاصله معینی بین ابزار و قطعه کار حرکت می کند. در این نقطه دی الکتریک بین الکترود و قطعه کار قطع شده و عملیات اسپارک شروع می شود. عملیات اسپارک باعث جداسازی ذرات از قطعه کار می شود. به صورت مشابه در همین زمان خوردگی روی الکترود نیز با نرخ کمتری به وجود می آید.
یک نازل دی الکتریک را از طریق شیلنگ به روی قطعه می پاشد و ذرات خورده شده از روی قطعه کار شستشو می شوند (در زمانی که الکترود به سمت بالا حرکت می کند). الکترود مجدد پایین می آید اما این بار به دلیل خوردگی، میزان پایین آمدن بیشتر از کورس قبلی است. مجدداً اسپارک در یک عمق بیشتر اتفاق می‌افتد و ذرات دیگری از قطعه کار برداشته می شوند.
عملیات ادامه پیدا می کند، ابزار بالا می‌رود. ذرات خورده شده شسته می شوند. ابزار پایین می آید و عملیات اسپارک در ساخت قالب تزریق پلاستیک با حداقل شعاع جرقه اتفاق می‌افتد.
روش کار در این روش:
روش کار به این صورت است که یک سرور موتور شانه را توسط یک پینیون تحریک میکند و ابزارکار نسبت به قطعه‌کار حرکت عمودی میکند. قطعه‌کار و ابزارکار هر دو به یک منبع الکتریکی متصل هستند. الکترود قطب مثبت و قطعه‌کار قطب منفی (معمولا) است. برای شروع کار ابتدا مایع دی الکتریک شروع به پر شدن میکند به طوری که قطعه‌کار و الکترود را کاملاً در بربگیرد. سپس جریان برقرار می‌گردد. پس از انتقال الکترون بین دو طرف قطرها (قطعه‌کار و ابزارکار) مایع دی‌الکتریک یونیزه میشود و تبدیل به پلاسما (نوع چهارم ماده) می‌گردد. عملیات اسپارک (EDM) در ساخت قالب تزریق پلاستیک باعث جداسازی ذرات از قطعه‌کار میشود. به صورت مشابه در همین زمان خوردگی روی الکترود نیز با نرخ کمتری به وجود می‌آید.
برای جداسازی و خارج نمودن قطعات جداشده از قطعه‌کار، یک نازل مایع دی‌الکتریک را بر روی قطعه‌کار پاشش میکند. مایع الکتریک توسط یک پمپ جریان می‌یابد که باعث میشود توسط یک فیلتر تسویه شده و ذرات از مایع دی‌الکتریک جدا شود. در این فرآیند معمولا الکترود (ابزارکار) بار منفی و قطعه‌کار بار مثبت دارد که به این حالت نرمال و به حالتی که الکترود بار مثبت و قطعه کار بار منفی داشته باشد معکوس می‌گویند. در این فرآیند جریان DC پالسی با ولتاژ 100-80 ولت و فرکانس 5 کیلوهرتز از الکترودها عبور داده میشود.
خوردگی قطعه‌کار و ابزارکار در فرایند اسپارک
خوردگی نه‌تنها در قطعه‌کار بلکه در الکترود هم به وجود می‌آید که خوردگی الکترود به نسبت کمتر است. این نشان می‌دهد که برای ماشینکاری قطعات با عمق‌های زیاد باید از الکترودهای بیشتری استفاده شود. البته تعداد این الکترودها به عوامل دیگری از جمله کیفیت دستگاه و مقدار جریان هم‌بستگی دارد. هرچه خوردگی الکترود کمتر باشد یعنی کیفیت دستگاه اسپارک در ساخت قالب مورد استفاده، بالاتر است. معمولا الکترودهای اولیه برای عملیات خشن‌کاری بر روی سطح قطعه‌کار استفاده میشود که پس از خوردگی کامل، الکترود توسط کاربر به صورت دستی تعویض می‌گردد. معمولا برای ماشینکاری قطعات به دو تا چهار الکترود نیازمندیم که الکترود آخر (مثلاً پنجم) برای صافی سطح به کار می‌رود و از الکترودهای اولیه برای خشن‌کاری استفاده می‌گردد.
کاربردهای روش ماشینکاری EDM : یا اسپارک
یکی از ویژگی‌های بارز ماشینکاری اسپارک محدودیت کم آن در براده برداری قطعات است. این ماشین‌ها برای براده‌برداری هر نوع ماده‌ی سخت، سفت، ترد و غیرقابل ماشینکاری به‌کار برده میشوند و تنها محدودیت آن هدایت الکتریکی قطعه‌کار است و قطعه‌کار باید هدایت الکتریکی مناسبی داشته باشد.
از این روش برای ساخت قالب‌های فولادی، ایجاد حفره و سوراخ در قالب سازی، ساخت قالب تزریق پلاستیک، ریخته‌گری، آهنگری، حدیده‌کاری، فرم دادن و غیره استفاده میشود. از EDM برای خارج نمودن قلاویز‌ها، مته‌ها، پیج‌ها، برقوها و پین‌های شکسته شده نیز استفاده می‌گردد.
مزایای روش ماشینکاری EDM :برای قالب تزریق پلاستیک
امکان براده برداری از روی فلزات سخت، دشوار و بعضاً غیرممکن به روش‌های دیگر
ایجاد حفره‌ها یا برآمدگی غیرمتقارن و غیر هندسی
عدم تماس بین ابزارکار و قطعه‌کار
مناسب برای ایجاد دیواره‌های نازک و شکل‌های ظریف
ماشینکاری اشکال پیچیده (معمولا)
چون تماس بین قطعه کار و الکترود وجود ندارد ایجاد دیواره‌های نازک و اشکال ظریف امکان‌پذیر است .
– عموماً می توان قطعات با شکل پیچیده را ماشین کاری کرد .
– نرخ ماشین کاری وابسته به سختی قطعه کار نبوده و متناسب با نقطه ذوب قطعه کار است . بنابراین موادی که قابلیت ماشین کاری کمی دارند مثل کاربیت های سمانته و فولادهای ابزاری آبکاری شده را می‌توان ماشین کاری کرد .
– ماشین کاری بدون پلیسه است .
غالباً برای ساخت انواع قالب ها از اسپارک استفاده می شود . قالب های تزریق پلاستیک , قالب‌های اکسترود , آهنگری و دایکاست فقط موارد محدودی از انواع قالب‌های ساخته شده با این روش هستند . ضمناً از این روش مستقیماً در خط تولید استفاده می شود .
معایب روش ماشینکاری EDM :برای قالب تزریق پلاستیک
آلودگی محیط زیست (استفاده از مواد نفتی)
سرعت پایین ماشینکاری
قیمت بالای فرآیند نسبت به روش‌های سنتی
کاربری سخت دستگاه
عدم در دسترس بودن الکترود باکیفیت و اصل (غالبا)