التصنيع بالتفريغ الكهربائي

تُعرف عملية القطع بالتفريغ الكهربائي ( EDM )، والتي تُسمى أحيانًا بالقطع الشراري أو التآكل الشراري ، بأنها عملية قطع معادن يتم فيها الحصول على الشكل المطلوب باستخدام تفريغات كهربائية (شرارات). [ 1 ] تتم إزالة المادة من قطعة العمل بواسطة سلسلة من التفريغات الكهربائية المتكررة بسرعة بين قطبين كهربائيين ، يفصل بينهما سائل عازل ، ويخضعان لجهد كهربائي . يُسمى أحد القطبين قطب الأداة (أو ببساطة الأداة أو القطب )، بينما يُسمى الآخر قطب قطعة العمل . يمكن أن يكون القطب الكهربائي بأشكال متعددة: فعندما يكون سلكًا، يكون مناسبًا لقطع شق رفيع ، وتُسمى هذه العملية بالقطع الكهربائي السلكي (وتُسمى أحيانًا حرق السلك أو تآكل السلك )؛ وعندما يكون كتلة ذات شكل محفور، يكون مناسبًا للتشكيل بالتفريغ الكهربائي ، وتُسمى هذه العملية بالقطع الكهربائي بالتفريغ الكهربائي . تعتمد هذه العملية على عدم وجود تلامس مادي بين الأداة وقطعة العمل. يمكن تشكيل المواد شديدة الصلابة مثل الكربيدات والسيراميك وسبائك التيتانيوم وفولاذ الأدوات المعالج حرارياً، والتي يصعب تشكيلها باستخدام عمليات التشغيل التقليدية، بدقة عالية باستخدام تقنية التفريغ الكهربائي. [ 2 ]
عند زيادة الجهد بين القطبين، تزداد شدة المجال الكهربائي في الحيز بينهما، مما يؤدي إلى انهيار العازل السائل وتكوّن قوس كهربائي. ونتيجة لذلك، تُزال المادة من القطبين. بمجرد توقف التيار (أو إيقافه، حسب نوع المولد)، يُضخ سائل عازل جديد إلى الحيز بين القطبين، مما يسمح بإزالة الجزيئات الصلبة (الشوائب) واستعادة خصائص العزل. تُعرف عملية إضافة سائل عازل جديد إلى الحيز بين القطبين باسم " التنظيف" . بعد مرور التيار، يعود الجهد بين القطبين إلى قيمته قبل الانهيار، مما يسمح بحدوث انهيار جديد للسائل العازل وتكرار الدورة.
تاريخ
تم ملاحظة التأثير التآكلي للتفريغات الكهربائية لأول مرة في عام 1770 من قبل الفيزيائي الإنجليزي جوزيف بريستلي .
تقنية التفريغ الكهربائي لقوالب الصب
كُلِّف عالمان سوفييتيان، هما بي آر لازارينكو وإن آي لازارينكو، عام 1943، بالبحث عن طرق لمنع تآكل الموصلات الكهربائية المصنوعة من التنجستن نتيجة الشرارة. ورغم فشلهما في هذه المهمة، إلا أنهما اكتشفا أن التحكم في التآكل يكون أكثر دقة عند غمر الأقطاب الكهربائية في سائل عازل. وقد دفعهما هذا الاكتشاف إلى اختراع آلة التفريغ الكهربائي (EDM) المستخدمة في تشكيل المواد صعبة التشكيل، مثل التنجستن. تُعرف آلة لازارينكو باسم آلة من نوع RC، نسبةً إلى دائرة المقاومة والمكثف ( دائرة RC ) المستخدمة لشحن الأقطاب الكهربائية. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
في الوقت نفسه، ولكن بشكل مستقل، قام فريق أمريكي مؤلف من هارولد ستارك وفيكتور هاردينغ وجاك بيفر بتطوير آلة تفريغ كهربائي لإزالة المثاقب والصنابير المكسورة من مصبوبات الألومنيوم. [ 7 ] في البداية، اعتمدوا في بناء آلاتهم على أدوات حفر كهربائي ضعيفة الطاقة، ولم يحققوا نجاحًا كبيرًا. ولكن مع استخدام وحدات شرارة أكثر قوة، بالإضافة إلى خاصية التكرار التلقائي للشرارة واستبدال السائل بواسطة قاطع كهرومغناطيسي ، تم إنتاج آلات عملية. أنتجت آلات ستارك وهاردينغ وبيفر 60 شرارة في الثانية. وفي وقت لاحق، استخدمت آلات مبنية على تصميمهم دوائر أنابيب مفرغة أنتجت آلاف الشرارات في الثانية، مما زاد من سرعة القطع بشكل ملحوظ. [ 8 ]
القطع السلكي بالتفريغ الكهربائي
ظهرت آلات القطع السلكي في ستينيات القرن الماضي لصنع الأدوات ( القوالب ) من الفولاذ المقوى. يتكون قطب الأداة في هذه الآلات من سلك بسيط. ولتجنب تآكل السلك وانقطاعه، يُلف السلك بين بكرتين بحيث يتغير الجزء الفعال منه باستمرار. كانت أولى آلات التحكم الرقمي (NC) عبارة عن تحويلات لآلات التفريز العمودية ذات الشريط المثقب. صُنعت أول آلة NC متاحة تجاريًا، مصممة كآلة قطع سلكي، في الاتحاد السوفيتي عام 1967. طوّر فريق ديفيد إتش. دوليبون في شركة أندرو للهندسة [ 9 ] آلات قادرة على تتبع الخطوط بصريًا على الرسم الرئيسي ، وذلك لآلات التفريز والطحن. لاحقًا، أُنتجت الرسومات الرئيسية بواسطة راسمات التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) لتحقيق دقة أعلى. تم إنتاج آلة قطع الأسلاك EDM باستخدام راسمة الرسم CNC وتقنيات تتبع الخط البصري في عام 1974. وفي وقت لاحق، استخدم Dulebohn نفس برنامج CNC الخاص بالراسمة للتحكم المباشر في آلة EDM، وتم إنتاج أول آلة CNC EDM في عام 1976. [ 10 ]
شهدت قدرات واستخدامات تقنية القطع الكهربائي السلكي التجارية تطوراً ملحوظاً خلال العقود الأخيرة. [ 11 ] وقد زادت معدلات التغذية [ 11 ] وأصبح بالإمكان التحكم بدقة في جودة السطح . [ 11 ]
العموميات

تُعدّ عملية التصنيع بالتفريغ الكهربائي (EDM) طريقةً أساسيةً لتصنيع المعادن الصلبة أو تلك التي يصعب تشكيلها بالتقنيات التقليدية. وتعمل هذه التقنية عادةً مع المواد الموصلة للكهرباء، مع وجود طرق مقترحة لاستخدامها في تصنيع السيراميك العازل . [ 12 ] [ 13 ] ويمكن لتقنية EDM قطع أشكال أو تجاويف معقدة في الفولاذ المُصلّد مسبقًا دون الحاجة إلى معالجة حرارية لتليينه وإعادة تصليده. ويمكن استخدام هذه الطريقة مع أي معدن أو سبيكة معدنية أخرى، مثل التيتانيوم ، والهاستيلوي ، والكوفار ، والإنكونيل . كما تم الإبلاغ عن تطبيقات لهذه العملية في تشكيل أدوات الماس متعددة البلورات . [ 14 ]
غالباً ما يتم إدراج عملية التفريغ الكهربائي (EDM) ضمن مجموعة طرق التشغيل "غير التقليدية" أو "غير المألوفة" إلى جانب عمليات مثل التشغيل الكهروكيميائي (ECM) والقطع بنفث الماء (WJ، AWJ) والقطع بالليزر ، وذلك على عكس المجموعة "التقليدية" ( الخراطة ، والطحن ، والتجليخ ، والحفر ، وأي عملية أخرى تعتمد آلية إزالة المواد فيها بشكل أساسي على القوى الميكانيكية). [ 15 ]
للحصول على شكل هندسي محدد، يتم توجيه أداة القطع الكهربائي (EDM) على طول المسار المطلوب بالقرب من قطعة العمل؛ ومن الناحية المثالية، يجب ألا تلامس الأداة قطعة العمل، مع أن هذا قد يحدث في الواقع نتيجةً لأداء نظام التحكم في الحركة المستخدم. وبهذه الطريقة، يحدث عدد كبير من التفريغات الكهربائية (المعروفة أيضًا بالشرارات)، حيث يساهم كل تفريغ في إزالة المادة من كلٍّ من الأداة وقطعة العمل، مما يؤدي إلى تكوّن حفر صغيرة. ويعتمد حجم هذه الحفر على المعايير التقنية المُحددة للعملية. ويمكن أن تتراوح أبعادها عادةً من النطاق النانوي (في عمليات القطع الكهربائي الدقيق ) إلى مئات الميكرومترات في عمليات التشغيل الخشن.[ 16 ]
يؤدي وجود هذه الحفر الصغيرة على الأداة إلى تآكل تدريجي للإلكترود. ويُشار إلى هذا التآكل أيضًا باسم الاحتكاك. هناك حاجة إلى استراتيجيات لمواجهة التأثير الضار للاحتكاك على هندسة قطعة العمل. أحد الاحتمالات هو الاستبدال المستمر للإلكترود أثناء عملية التشغيل. هذا ما يحدث عند استخدام سلك يتم استبداله باستمرار كإلكترود. في هذه الحالة، تُسمى عملية التفريغ الكهربائي المقابلة أيضًا بالتفريغ الكهربائي السلكي. يمكن أيضًا استخدام الإلكترود بطريقة لا يشارك فيها سوى جزء صغير منه في عملية التشغيل، ويتم تغيير هذا الجزء بانتظام. هذا هو الحال، على سبيل المثال، عند استخدام قرص دوار كإلكترود. غالبًا ما تُسمى العملية المقابلة أيضًا بالطحن بالتفريغ الكهربائي. [ 17 ]
تتمثل إحدى الاستراتيجيات الأخرى في استخدام مجموعة من الأقطاب الكهربائية ذات الأحجام والأشكال المختلفة خلال عملية التفريغ الكهربائي نفسها. يُشار إلى هذه الاستراتيجية غالبًا باسم استراتيجية الأقطاب الكهربائية المتعددة، وهي شائعة الاستخدام عندما يقوم قطب الأداة بنسخ الشكل المطلوب بشكل معكوس، ويتم تحريكه باتجاه قطعة العمل في اتجاه واحد، عادةً الاتجاه الرأسي (أي المحور z). يشبه هذا غمر الأداة في السائل العازل الذي تُغمر فيه قطعة العمل، ولذلك يُشار إليه غالبًا باسم التفريغ الكهربائي الغاطس (ويُسمى أيضًا التفريغ الكهربائي التقليدي والتفريغ الكهربائي بالدفع). تُسمى الآلات المقابلة عادةً بآلات التفريغ الكهربائي الغاطس. عادةً ما تكون أقطاب هذا النوع ذات أشكال معقدة. أما إذا تم الحصول على الشكل الهندسي النهائي باستخدام قطب كهربائي بسيط الشكل يتم تحريكه في عدة اتجاهات، وربما يخضع أيضًا للدوران، فغالبًا ما يُستخدم مصطلح طحن التفريغ الكهربائي. [ 18 ]
على أي حال، تعتمد شدة التآكل بشكل كبير على المعايير التقنية المستخدمة في العملية (مثل: القطبية، الحد الأقصى للتيار، جهد الدائرة المفتوحة). فعلى سبيل المثال، في عملية التفريغ الكهربائي الدقيق (μ-EDM)، تُضبط هذه المعايير عادةً على قيم تُسبب تآكلاً شديداً. ولذلك، يُعد التآكل مشكلة رئيسية في هذا المجال.
يجري العمل على معالجة مشكلة تآكل أقطاب الجرافيت. في أحد الأساليب، يقوم مولد رقمي، يمكن التحكم به في غضون أجزاء من الثانية، بعكس القطبية أثناء حدوث التآكل الكهربائي. ينتج عن ذلك تأثير مشابه للطلاء الكهربائي الذي يُعيد ترسيب الجرافيت المتآكل باستمرار على القطب. في طريقة أخرى، تعمل دائرة تُسمى "دائرة انعدام التآكل" على تقليل عدد مرات بدء التفريغ وإيقافه، مع الحفاظ عليه لأطول فترة ممكنة. [ 19 ]
تعريف المعايير التكنولوجية
وقد واجهت عملية تحديد المعايير التكنولوجية التي تحرك العملية صعوبات.
هناك فئتان رئيسيتان من المولدات، والمعروفة أيضًا باسم مصادر الطاقة، قيد الاستخدام في آلات EDM المتوفرة تجاريًا: المجموعة القائمة على دوائر RC والمجموعة القائمة على النبضات التي يتم التحكم فيها بواسطة الترانزستور .
في كلا الفئتين، تُعدّ شدة التيار والتردد المُستخدمان المعيارين الأساسيين عند الإعداد. مع ذلك، في دوائر RC، يُتوقع تحكم محدود في مدة التفريغ، والتي من المرجح أن تعتمد على ظروف فجوة الشرارة الفعلية (حجمها ومستوى التلوث) لحظة التفريغ. [ 20 ] كما يُمكن اعتبار جهد الدائرة المفتوحة (أي الجهد بين الأقطاب الكهربائية عندما لا يكون العازل قد انكسر بعد) جهد الحالة المستقرة لدائرة RC.
في المولدات التي تعتمد على التحكم بالترانزستور، يستطيع المستخدم عادةً إرسال سلسلة من نبضات الجهد إلى الأقطاب الكهربائية. ويمكن التحكم في شكل كل نبضة، على سبيل المثال، شبه مستطيلة. وبشكل خاص، يمكن ضبط الفترة الزمنية بين نبضتين متتاليتين ومدة كل نبضة. ويمثل سعة كل نبضة جهد الدائرة المفتوحة. وبالتالي، فإن أقصى مدة للتفريغ تساوي مدة نبضة الجهد في السلسلة. ومن المتوقع ألا تحدث نبضتان من التيار لمدة تساوي أو تزيد عن الفترة الزمنية بين نبضتين متتاليتين من الجهد.
يمكن أيضًا التحكم في الحد الأقصى للتيار الذي يولده المولد أثناء عملية التفريغ. ونظرًا لإمكانية استخدام أنواع أخرى من المولدات من قبل مصنعي الآلات المختلفين، فإن المعايير التي يمكن ضبطها على آلة معينة تعتمد على الشركة المصنعة للمولد. ولا تتوفر تفاصيل المولدات وأنظمة التحكم في آلاتها دائمًا بسهولة للمستخدم، مما يشكل عائقًا أمام وصف المعايير التقنية لعملية التفريغ الكهربائي بدقة. علاوة على ذلك، ترتبط المعايير المؤثرة على الظواهر التي تحدث بين الأداة والإلكترود بجهاز التحكم في حركة الإلكترودات.
اقترح فيري وآخرون مؤخرًا إطار عمل لتحديد وقياس المعايير الكهربائية أثناء عملية التفريغ الكهربائي (EDM) مباشرةً على المسافة بين الأقطاب باستخدام راسم إشارة خارجي للجهاز. [ 21 ] أجرى هؤلاء الباحثون دراستهم في مجال التفريغ الكهربائي الدقيق (μ-EDM)، ولكن يمكن تطبيق نفس المنهجية على أي عملية تفريغ كهربائي. وهذا من شأنه أن يمكّن المستخدم من تقدير المعايير الكهربائية المؤثرة على عملياته مباشرةً دون الاعتماد على ادعاءات الشركة المصنعة للجهاز. عند تشغيل مواد مختلفة في نفس ظروف الإعداد، تختلف المعايير الكهربائية الفعلية للعملية اختلافًا كبيرًا. [ 21 ]
آلية إزالة المواد
لعلّ أول محاولة جادة لتقديم تفسير فيزيائي لإزالة المواد أثناء عملية التصنيع بالتفريغ الكهربائي هي محاولة فان دايك. [ 22 ] قدّم فان دايك نموذجًا حراريًا مصحوبًا بمحاكاة حاسوبية لشرح الظواهر بين الأقطاب الكهربائية أثناء عملية التصنيع بالتفريغ الكهربائي. مع ذلك، وكما أقرّ فان دايك نفسه في دراسته، كان عدد الافتراضات التي وُضعت للتغلب على نقص البيانات التجريبية في ذلك الوقت كبيرًا جدًا.
طُوِّرت نماذج إضافية لما يحدث أثناء عملية التصنيع بالتفريغ الكهربائي من حيث انتقال الحرارة في أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات. وقد أسفر ذلك عن ثلاث أوراق بحثية: الأولى تُقدِّم نموذجًا حراريًا لإزالة المواد على المهبط، [ 23 ] والثانية تُقدِّم نموذجًا حراريًا للتآكل الحاصل على المصعد، [ 24 ] والثالثة تُقدِّم نموذجًا يصف قناة البلازما المتكوِّنة أثناء مرور تيار التفريغ عبر السائل العازل. [ 25 ] وتُدعم صحة هذه النماذج ببيانات تجريبية مُقدَّمة من AGIE.
تُقدّم هذه النماذج أقوى دعمٍ للادعاء بأنّ عملية التفريغ الكهربائي (EDM) هي عملية حرارية، حيث تُزال المادة من القطبين نتيجةً للانصهار أو التبخر، بالإضافة إلى ديناميكيات الضغط المتولدة في فجوة الشرارة بفعل انهيار قناة البلازما. مع ذلك، فإنّ هذه النماذج غير كافية لتفسير البيانات التجريبية عند طاقات التفريغ المنخفضة. وتعتمد جميع هذه النماذج على عددٍ من الافتراضات المستمدة من مجالات بحثية متباينة، مثل انفجارات الغواصات، والتفريغات في الغازات، وفشل المحولات، لذا فليس من المستغرب أن تُقترح نماذج بديلة مؤخرًا في الأدبيات العلمية في محاولةٍ لتفسير عملية التفريغ الكهربائي.
من بين هذه النماذج، يربط نموذج سينغ وغوش [ 26 ] إزالة المادة من القطب الكهربائي بوجود قوة كهربائية على سطحه، قادرة على إزالة المادة ميكانيكيًا وتكوين الحفر. ويُعزى ذلك إلى تغير الخواص الميكانيكية للمادة السطحية نتيجة ارتفاع درجة حرارتها بفعل مرور التيار الكهربائي. وقد أظهرت محاكاة الباحثين كيف يمكن لهذا النموذج أن يفسر عملية التفريغ الكهربائي بشكل أفضل من النموذج الحراري (الانصهار أو التبخر)، لا سيما عند طاقات التفريغ المنخفضة، والتي تُستخدم عادةً في عمليات التفريغ الكهربائي الدقيق وعمليات التشطيب.
بالنظر إلى النماذج العديدة المتاحة، يبدو أن آلية إزالة المواد في عملية التصنيع بالتفريغ الكهربائي (EDM) لا تزال غير مفهومة تمامًا، وأن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتوضيحها، [ 21 ] لا سيما في ظل نقص الأدلة العلمية التجريبية اللازمة لبناء نماذج EDM الحالية والتحقق من صحتها. [ 21 ] وهذا ما يفسر ازدياد الجهود البحثية الحالية في التقنيات التجريبية ذات الصلة. [ 16 ]
الأنواع
سينكر إي دي إم
تتكون عملية التفريغ الكهربائي الغاطس، والتي تُسمى أيضًا بالتفريغ الكهربائي الكبسولي أو التفريغ الكهربائي التجويف أو التفريغ الكهربائي الحجمي، من قطب كهربائي وقطعة عمل مغمورين في سائل عازل، مثل الزيت في أغلب الأحيان [ 28 ] أو سوائل عازلة أخرى في حالات أقل شيوعًا. يتم توصيل القطب الكهربائي وقطعة العمل بمصدر طاقة مناسب، حيث يُولّد مصدر الطاقة فرق جهد كهربائي بينهما. عند اقتراب القطب الكهربائي من قطعة العمل، يحدث انهيار عازل في السائل، مُشكّلاً قناة بلازما [ 16 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] ، وتنطلق شرارة صغيرة.
عادةً ما تحدث هذه الشرارات بشكل منفرد، [ 28 ] لأنه من غير المرجح أن تمتلك مواقع مختلفة في المسافة بين الأقطاب الكهربائية نفس الخصائص الكهربائية المحلية التي تسمح بحدوث شرارة في وقت واحد في جميع هذه المواقع. تحدث هذه الشرارات بأعداد هائلة في مواقع تبدو عشوائية بين القطب الكهربائي وقطعة العمل. مع تآكل المعدن الأساسي، وزيادة فجوة الشرارة تبعًا لذلك، يقوم الجهاز بخفض القطب الكهربائي تلقائيًا حتى تستمر العملية دون انقطاع. تحدث مئات الآلاف من الشرارات في الثانية، ويتم التحكم في دورة التشغيل الفعلية بدقة من خلال معايير الإعداد. تُعرف دورات التحكم هذه أحيانًا باسم "وقت التشغيل" و"وقت الإيقاف"، والتي تم تعريفها بشكل أكثر دقة في المراجع. [ 16 ] [ 21 ] [ 29 ]
يُحدد إعداد زمن التشغيل طول أو مدة الشرارة. وبالتالي، ينتج عن زمن تشغيل أطول تجويف أعمق من كل شرارة، مما يُؤدي إلى سطح خشن على قطعة العمل. والعكس صحيح بالنسبة لزمن تشغيل أقصر. زمن الإيقاف هو الفترة الزمنية بين الشرارات. على الرغم من أنه لا يؤثر بشكل مباشر على تشغيل القطعة، إلا أن زمن الإيقاف يسمح بتدفق سائل عازل عبر فوهة لتنظيف الحطام المتآكل. قد يؤدي عدم إزالة الحطام بشكل كافٍ إلى تكرار الضربات في نفس الموقع، مما قد يُسبب ماسًا كهربائيًا. تراقب وحدات التحكم الحديثة خصائص الأقواس الكهربائية، ويمكنها تغيير المعلمات في أجزاء من الثانية للتعويض. عادةً ما يكون شكل القطعة ثلاثي الأبعاد معقدًا، [ 28 ] وغالبًا ما يحتوي على زوايا صغيرة أو غير منتظمة الشكل. كما تُستخدم دورات تشغيل رأسية، ومدارية، ومتجهة، واتجاهية، وحلزونية، ومخروطية، ودورانية، ودورانية محورية، ودورانية فهرسية.
قطع الأسلاك بالكهرباء


في عملية القطع الكهربائي السلكي (WEDM)، والمعروفة أيضًا باسم القطع الكهربائي السلكي أو القطع السلكي ، [ 30 ] يُمرر سلك معدني رفيع أحادي الجديلة، عادةً من النحاس الأصفر ، عبر قطعة العمل، وهو مغمور في خزان من سائل عازل، عادةً ما يكون ماءً منزوع الأيونات. [ 28 ] يُستخدم القطع الكهربائي السلكي عادةً لقطع الصفائح التي يصل سمكها إلى 300 مم (12 بوصة) ولصنع المثاقب والأدوات والقوالب من المعادن الصلبة التي يصعب تشكيلها بطرق أخرى.
يُغذى السلك باستمرار من بكرة، ويُثبّت بين دليلين ماسيين علوي وسفلي ، مُتمركزين في رأس فوهة الماء. يتحرك الدليلان، اللذان يُتحكم بهما عادةً بواسطة نظام تحكم رقمي (CNC) ، في المستوى س - ص . في معظم الآلات، يمكن للدليل العلوي أن يتحرك بشكل مستقل على المحاور ع - ف - ز ، مما يُتيح إمكانية قطع أشكال مخروطية ومتدرجة (دائرة في الأسفل، مربع في الأعلى، على سبيل المثال). يُمكن للدليل العلوي التحكم في حركات المحاور وفقًا لمعيار GCode، س - ص- ف - ز - ط - ي - ي - ك - ل- . يسمح هذا ببرمجة آلة القطع الكهربائي السلكي لقطع أشكال بالغة التعقيد والدقة.
تتميز أدلة الماس العلوية والسفلية بدقة تصل عادةً إلى 0.004 مم (0.16 ميل) ، ويمكن أن يصل عرض مسار القطع أو الشق إلى 0.021 مم (0.83 ميل) باستخدام سلك قطره 0.02 مم (0.79 ميل) ، مع العلم أن متوسط عرض القطع الأمثل من حيث التكلفة الاقتصادية ووقت التشغيل هو 0.335 مم (13.2 ميل) باستخدام سلك نحاسي قطره 0.25 مم (9.8 ميل) . ويعود سبب كون عرض القطع أكبر من عرض السلك إلى حدوث شرارة كهربائية من جوانب السلك إلى قطعة العمل، مما يؤدي إلى التآكل. [ 28 ] يُعد هذا "القطع الزائد" ضروريًا، وفي العديد من التطبيقات يمكن التنبؤ به بشكل كافٍ، وبالتالي يمكن تعويضه (على سبيل المثال، في تقنية التفريغ الكهربائي الدقيق، لا يكون هذا هو الحال غالبًا). بكرات الأسلاك طويلة - بكرة سلك وزنها 8 كيلوغرامات (18 رطلاً) وقطرها 0.25 مليمتر (9.8 ميل) يبلغ طولها ما يزيد قليلاً عن 19 كيلومتراً (12 ميلاً) . يمكن أن يصل قطر السلك إلى 20 ميكرومتراً (0.79 ميلاً) ، ودقة القياس الهندسي لا تتجاوز ± 1 ميكرومتراً (0.039 ميلاً) .
تستخدم عملية القطع السلكي الماء كسائل عازل، ويتم التحكم في مقاومته وخصائصه الكهربائية الأخرى باستخدام مرشحات ووحدات إزالة الأيونات التي يتم التحكم فيها بواسطة نظام PID . يعمل الماء على إزالة مخلفات القطع من منطقة القطع. وتُعدّ عملية التنظيف عاملاً مهماً في تحديد الحد الأقصى لمعدل التغذية لسمك معين للمادة.
يُصنع القطب الكهربائي المستخدم في عملية القطع الكهربائي السلكي عادةً من النحاس الأصفر أو النحاس أو مواد مطلية مثل الأسلاك المطلية بالزنك أو الأسلاك المعالجة حراريًا بالانتشار. [ 31 ] يُعد سلك النحاس الأصفر الأكثر شيوعًا نظرًا لتوازنه بين الموصلية وقوة الشد والتكلفة المعقولة. [ 32 ] تُستخدم الأسلاك المطلية غالبًا لتحسين سرعة القطع، وتقليل انقطاع السلك، وتحسين جودة السطح من خلال تسهيل عمليات التفريغ الكهربائي الأكثر استقرارًا .
إلى جانب التفاوتات الأكثر دقة، أضافت مراكز التصنيع متعددة المحاور لقطع الأسلاك بتقنية EDM ميزات مثل رؤوس متعددة لقطع جزأين في نفس الوقت، وضوابط لمنع انقطاع السلك، وميزات التلقيم الذاتي التلقائي في حالة انقطاع السلك، واستراتيجيات التصنيع القابلة للبرمجة لتحسين العملية.
تُستخدم عملية القطع الكهربائي السلكي عادةً عندما يُراد تقليل الإجهادات المتبقية، لأنها لا تتطلب قوى قطع عالية لإزالة المادة. إذا كانت الطاقة لكل نبضة منخفضة نسبيًا (كما هو الحال في عمليات التشطيب)، فمن المتوقع حدوث تغيير طفيف في الخواص الميكانيكية للمادة نتيجةً لانخفاض هذه الإجهادات المتبقية، مع العلم أن المادة التي لم تخضع لتخفيف الإجهاد قد تتشوه أثناء عملية التشغيل.
قد تتعرض قطعة العمل لدورة حرارية كبيرة، وتعتمد شدتها على المعايير التقنية المستخدمة. قد تؤدي هذه الدورات الحرارية إلى تكوّن طبقة مُعاد تشكيلها على القطعة، وإلى إجهادات شد متبقية عليها. إذا تمت عملية التشغيل بعد المعالجة الحرارية، فلن تتأثر دقة الأبعاد بتشوه المعالجة الحرارية. [ 33 ]
حفر الثقوب بتقنية التفريغ الكهربائي
صُممت تقنية الحفر الكهربائي بالتفريغ (EDM) لإنتاج ثقوب صغيرة وعميقة بسرعة ودقة. وهي تُشبه من حيث المبدأ تقنية الحفر الكهربائي بالتفريغ الغاطس، إلا أن قطبها الكهربائي عبارة عن أنبوب دوار ينقل تيارًا مضغوطًا من سائل عازل. يمكنها حفر ثقب بعمق بوصة واحدة في غضون دقيقة تقريبًا، وهي طريقة فعّالة لحفر الثقوب في المواد الصلبة التي يصعب تشكيلها باستخدام المثقاب اللولبي. يُستخدم هذا النوع من الحفر الكهربائي بالتفريغ على نطاق واسع في صناعة الطيران، حيث يُستخدم لحفر ثقوب التبريد في شفرات الطائرات ومكونات أخرى. كما يُستخدم أيضًا لحفر الثقوب في شفرات التوربينات الغازية الصناعية، وفي القوالب، وفي المحامل.
التطبيقات
إنتاج النماذج الأولية
تُستخدم عملية التفريغ الكهربائي على نطاق واسع في صناعات القوالب والأدوات ، ولكنها أصبحت طريقة شائعة لتصنيع النماذج الأولية وقطع الإنتاج، لا سيما في صناعات الطيران والفضاء والسيارات والإلكترونيات حيث تكون كميات الإنتاج منخفضة نسبيًا. في عملية التفريغ الكهربائي الغاطس، يتم تشكيل قطب كهربائي من الجرافيت أو النحاس والتنغستن أو النحاس النقي إلى الشكل المطلوب (السالب) ثم يُغذى إلى قطعة العمل من خلال طرف مكبس رأسي.
صناعة قوالب سك العملات المعدنية

لصنع قوالب إنتاج المجوهرات والشارات، أو لتشكيل وتثقيب (باستخدام قالب مسطح ) في عملية سك العملات (الختم)، يُصنع النموذج الأولي الموجب من الفضة الإسترلينية، حيث يتآكل هذا النموذج (مع ضبط الماكينة بشكل مناسب) بشكل كبير ويُستخدم مرة واحدة فقط. ثم يُقسّى القالب السالب الناتج ويُستخدم في مطرقة إسقاط لإنتاج أسطح مسطحة مختومة من صفائح مقطوعة من البرونز أو الفضة أو سبيكة ذهبية منخفضة العيار. بالنسبة للشارات، يمكن تشكيل هذه الأسطح المسطحة بشكل إضافي إلى سطح منحني باستخدام قالب آخر. عادةً ما يُجرى هذا النوع من التصنيع بالتفريغ الكهربائي (EDM) مغمورًا في مادة عازلة زيتية. يمكن تحسين المنتج النهائي بشكل أكبر عن طريق التزجيج الصلب (الزجاج) أو التزجيج اللين (الطلاء)، أو الطلاء الكهربائي بالذهب الخالص أو النيكل. يمكن نقش المواد الأكثر ليونة مثل الفضة يدويًا كخطوة تحسينية.

حفر ثقوب صغيرة


تُستخدم تقنية الحفر بالتفريغ الكهربائي في مجموعة متنوعة من التطبيقات. [ 34 ]
في ماكينات القطع الكهربائي السلكي، تُستخدم تقنية حفر الثقوب الصغيرة لإنشاء ثقب نافذ في قطعة العمل، يُمرر من خلاله السلك لعملية القطع الكهربائي السلكي. يُركّب رأس قطع كهربائي منفصل مُخصّص لحفر الثقوب الصغيرة على ماكينة القطع السلكي، مما يسمح بإزالة الأجزاء النهائية من الصفائح الصلبة الكبيرة حسب الحاجة ودون الحاجة إلى حفر مسبق.
تُستخدم تقنية التفريغ الكهربائي للثقوب الصغيرة لحفر صفوف من الثقوب في الحواف الأمامية والخلفية لشفرات التوربينات المستخدمة في المحركات النفاثة . يسمح تدفق الغاز عبر هذه الثقوب الصغيرة للمحركات بالعمل في درجات حرارة أعلى من الممكنة في الظروف العادية. إن سبائك البلورة الأحادية شديدة الصلابة وعالية الحرارة المستخدمة في هذه الشفرات تجعل عملية التصنيع التقليدية لهذه الثقوب ذات النسبة العالية بين الطول والعرض صعبة للغاية، إن لم تكن مستحيلة.
تُستخدم تقنية التفريغ الكهربائي للثقوب الصغيرة أيضًا لإنشاء فتحات مجهرية لمكونات نظام الوقود، ومغازل للألياف الاصطناعية مثل الرايون ، وتطبيقات أخرى.
توجد أيضًا آلات حفر ثقوب صغيرة مستقلة تعمل بتقنية التفريغ الكهربائي (EDM) مزودة بمحورين س و ص، تُعرف أيضًا باسم المثقاب الفائق أو آلة حفر الثقوب ، وهي قادرة على حفر ثقوب عمياء أو نافذة. تستخدم مثاقب EDM أنبوبًا طويلًا من النحاس الأصفر أو النحاس الأحمر يدور في ظرف، مع تدفق مستمر من الماء المقطر أو منزوع الأيونات عبره كعامل تنظيف وعازل. تعمل أنابيب الأقطاب الكهربائية بنفس طريقة عمل الأسلاك في آلات EDM السلكية، حيث تتميز بوجود فجوة شرارة ومعدل تآكل. تستطيع بعض آلات EDM لحفر الثقوب الصغيرة اختراق 100 مليمتر (3.9 بوصة) من الفولاذ الطري أو الصلب في أقل من 10 ثوانٍ، بمعدل تآكل يتراوح بين 50% و80%. ويمكن تحقيق ثقوب بأقطار تتراوح بين 0.3 و6.1 مليمتر (0.012 إلى 0.240 بوصة) في هذه العملية. تعتبر الأقطاب النحاسية أسهل في التشغيل ولكن لا ينصح باستخدامها في عمليات قطع الأسلاك بسبب جزيئات النحاس المتآكلة التي تسبب انقطاع الأسلاك "النحاس على النحاس"، لذلك يوصى باستخدام النحاس.
تشغيل المعادن بالتفتيت
تُنتج العديد من الشركات المصنعة آلات التفريغ الكهربائي (EDM ) لغرض محدد هو إزالة أدوات القطع والمسامير المكسورة من قطع العمل. في هذا التطبيق، تُسمى العملية "التشغيل بالتفتيت المعدني" أو MDM. تزيل عملية التفتيت المعدني مركز الأداة أو المسمار المكسور فقط، تاركةً الثقب سليمًا، مما يسمح باستعادة الجزء التالف.
التصنيع ذو الحلقة المغلقة
يمكن للتصنيع ذي الحلقة المغلقة تحسين الدقة وتقليل تكاليف الأدوات
المزايا والعيوب
غالباً ما تتم مقارنة عملية التصنيع بالتفريغ الكهربائي (EDM) بالتصنيع الكهروكيميائي . تشمل مزايا عملية التصنيع بالتفريغ الكهربائي ما يلي:
- القدرة على تشكيل أشكال معقدة يصعب إنتاجها باستخدام أدوات القطع التقليدية.
- تشكيل المواد شديدة الصلابة بدقة متناهية.
- يمكن تشكيل قطع العمل الصغيرة جدًا حيث قد تتسبب أدوات القطع التقليدية في تلف الجزء بسبب الضغط الزائد لأداة القطع.
- لا يوجد اتصال مباشر بين الأداة وقطعة العمل. لذلك، يمكن تشكيل الأجزاء الدقيقة والمواد الضعيفة دون تشوه ملحوظ.
- يمكن الحصول على سطح نهائي جيد؛ ويمكن الحصول على سطح جيد جداً من خلال مسارات تشطيب زائدة.
- يمكن الحصول على ثقوب دقيقة للغاية.
- يمكن إنتاج ثقوب مخروطية الشكل.
- محيطات الأنابيب أو الحاويات الداخلية والزوايا الداخلية حتى R 0.001".
تشمل عيوب موسيقى الرقص الإلكترونية ما يلي:
- صعوبة في العثور على فنيي تشغيل آلات خبراء.
- معدل إزالة المواد البطيء.
- خطر الحريق المحتمل المرتبط باستخدام المواد العازلة القابلة للاشتعال القائمة على الزيت.
- الوقت والتكلفة الإضافيان المستخدمان في إنشاء الأقطاب الكهربائية لتقنية التفريغ الكهربائي باستخدام المكبس/الغاطس.
- يُعدّ إعادة إنتاج الزوايا الحادة على قطعة العمل أمرًا صعبًا بسبب تآكل الأقطاب الكهربائية.
- استهلاك الطاقة المحدد مرتفع للغاية.
- استهلاك الطاقة مرتفع.
- تم تشكيل "Overcut".
- يحدث تآكل مفرط للأدوات أثناء عملية التشغيل الآلي.
- لا يمكن تشكيل المواد غير الموصلة للكهرباء إلا بإعدادات محددة للعملية. [ 35 ] [ 36 ]
- تتشكل طبقة معاد تشكيلها على سطح القطع نتيجة انصهار المادة بواسطة القوس الكهربائي.
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ جيمسون 2001 ، ص. 1.
- ↑ جايسوال، فيشال. "مبدأ عمل آلة التفريغ الكهربائي، وأنواعها، ومعايير العملية، والمعدات، والتطبيقات" . mechanicalsite.com . مؤرشف من الأصل في 15 أغسطس 2022. تم الاطلاع عليه في 25 أغسطس 2023 .
- ↑ جيمسون 2001 ، ص 8.
- ^ لازارينكو، ر. ميخائيلوف، ف.ف. جيتليفيتش، الإمارات العربية المتحدة؛ فيرخوتوروف، م. Anfimov، IS "توزيع العناصر في الطبقات السطحية أثناء صناعة السبائك بالشرارة الكهربائية. (Raspredelenie Elementov V Poverkhnostnykh Sloyakh Pri Elektroiskrovom Legirvanii)". تصفح. م. تطبيق. الكهروكيميائية. (إلكترونايا أوبرابوتكا ماتيريلوف) . 1977، 3: 28-33 .
{{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط ) - ^ لازارينكو، ر. دورادجي، VN؛ براينتسيف، الرابع "تأثير دمج محاثة إضافية على خصائص عمليات الأنود والكاثود. (O Vliyanii Vklyucheniya Dopolnitel'noi Induktivnosti Na Kharakteristiki Anodnogo I Katodnogo Protsessov)". تصفح. م. تطبيق. الكهروكيميائية. (إلكترونايا أوبرابوتكا ماتيريلوف) . 1979، 5: 8-13 .
{{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط ) - ^ لازارينكو، ر. Lazarenko، NI "المعالجة بالشرارة الكهربائية للمعادن في الماء والكهارل. (Elektroiskrovaya Obrabotka Metallov V Vode I Elektrolitakh)". تصفح. م. تطبيق. الكهروكيميائية. (إلكترونايا أوبرابوتكا ماتيريلوف) . 1980، 1: 5-8 .
{{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط ) - ↑ كرار، ستيفن ف.؛ جيل، آرثر ر. (2003). استكشاف تقنيات التصنيع المتقدمة ( الطبعة الأولى). دار النشر الصناعية. ص 6.2.1. ISBN 0-8311-3150-0.
- ↑ جيمسون 2001 ، ص 10-12.
- ↑ Dulebohn، "التشغيل الآلي المتحكم فيه بواسطة التآكل المستحث كهربائيا"، براءة اختراع أمريكية رقم 3,614,372 ، تم تقديمها في 4 ديسمبر 1969، وتم إصدارها في 19 أكتوبر 1971.
- ↑ جيمسون 2001 ، ص 12-17.
- 1 2 3 روجرز، باري (2018)، "القدرات الرائعة لتقنية القطع الكهربائي السلكي" ، TechSpex ، مؤرشف من الأصل في 2018-05-22 ، تم استرجاعه في 2018-05-21 .
- ↑ موهري، ن.؛ فوكوزاوا، ي.؛ تاني، ت.؛ سايتو، ن.؛ فوروتاني، ك. (1996). "طريقة القطب المساعد لتصنيع السيراميك العازل". حوليات CIRP - تكنولوجيا التصنيع . 45 : 201-204 . doi : 10.1016/S0007-8506(07)63047-9 .
- ↑ ليو واي إتش، لي إكس بي، جي آر جيه، يو إل إل، تشانغ إتش إف، لي كيو واي (2008). "تأثير المعلمات التقنية على أداء عملية الطحن بالتفريغ الكهربائي لسيراميك أكسيد الألومنيوم العازل". مجلة تكنولوجيا معالجة المواد . 208 ( 1-3 ): 245-250 . doi : 10.1016/j.jmatprotec.2007.12.143 .
- ↑ مورغان، سي جيه؛ فالانس، آر آر؛ مارش، إي آر (2004). "التشكيل الدقيق للزجاج باستخدام أدوات الماس متعدد البلورات المشكلة بتقنية التفريغ الكهربائي الدقيق". مجلة الميكانيكا الدقيقة والهندسة الدقيقة . 14 (12): 1687. Bibcode : 2004JMiMi..14.1687M . doi : 10.1088/0960-1317/14/12/013 . S2CID 250921623 .
- ↑ مكارثي، ويلارد ج. وماكجيو، جوزيف أ. "أداة الآلة" . الموسوعة البريطانية
- 1 2 3 4 ديسكودر، أنطوان (2006). توصيف بلازما التشغيل بالتفريغ الكهربائي . أطروحة EPFL ، رقم 3542.
- ↑ وينغ، ف. ت.؛ شيو، ر. ف.؛ هسو، س. س. (2003). "تصنيع الأقطاب الكهربائية الدقيقة باستخدام عملية الطحن المتعددة بتقنية التفريغ الكهربائي". مجلة تكنولوجيا معالجة المواد . 140 ( 1-3 ): 332-334 . doi : 10.1016/S0924-0136(03)00748-9 .
- ↑ ناراسيمهان، ج.؛ يو، ز.؛ راجوركار، ك.ب. (2005). "تعويض تآكل الأدوات وتوليد المسار في عمليات التفريغ الكهربائي الدقيقة والكبيرة". مجلة عمليات التصنيع . 7 : 75-82 . doi : 10.1016/S1526-6125(05)70084-0 .
- ↑ كويلش، جيمس (أكتوبر 2009). "التصنيع بالتفريغ الكهربائي: حسابات تنافسية متغيرة"، هندسة التصنيع ، جمعية مهندسي التصنيع
- ↑ هان، ف.؛ تشين، ل.؛ يو، د.؛ تشو، ش. (2006). "دراسة أساسية حول مولد النبضات لتقنية التفريغ الكهربائي الدقيق". المجلة الدولية لتكنولوجيا التصنيع المتقدمة . 33 ( 5-6 ): 474. doi : 10.1007/s00170-006-0483-9 . S2CID 110776709 .
- ١ ٢ ٣ ٤ ٥ فيري، سي.؛ إيفانوف، أ.؛ بيتريلي، أ. (٢٠٠٨). "القياسات الكهربائية في تقنية التفريغ الكهربائي الدقيق" (ملف PDF) . مجلة الميكانيكا الدقيقة والهندسة الدقيقة . ١٨ (٨) ٠٨٥٠٠٧. رمز Bibcode : ٢٠٠٨JMiMi..١٨h٥٠٠٧F . doi : ١٠.١٠٨٨/٠٩٦٠-١٣١٧/١٨/٨/٠٨٥٠٠٧ . S2CID ١١٠٤٩٥٤١٥ .
- ^ فان ديك، فرانس (1973). التحليل الفيزيائي الرياضي لعملية تصنيع التفريغ الكهربائي . أطروحة الدكتوراه جامعة كاثوليكي لوفين.
- 1 2 ديبتونتو، داريل د.؛ يوبانك، فيليب ت.؛ باتيل، موكوند ر.؛ باروفيت، ماريا أ. (1989). "نماذج نظرية لعملية التصنيع بالتفريغ الكهربائي. الجزء الأول: نموذج بسيط لتآكل الكاثود". مجلة الفيزياء التطبيقية . 66 (9): 4095. Bibcode : 1989JAP....66.4095D . doi : 10.1063/1.343994 .
- 1 2 باتيل، موكوند ر.؛ باروفيت، ماريا أ.؛ يوبانك، فيليب ت.؛ ديبتونتو، داريل د. (1989). "النماذج النظرية لعملية التصنيع بالتفريغ الكهربائي. الجزء الثاني: نموذج تآكل المصعد". مجلة الفيزياء التطبيقية . 66 (9): 4104. Bibcode : 1989JAP....66.4104P . doi : 10.1063/1.343995 .
- 1 2 يوبانك، فيليب ت.؛ باتيل، موكوند ر.؛ باروفيت، ماريا أ.؛ بوزكورت، ب. (1993). "النماذج النظرية لعملية التصنيع بالتفريغ الكهربائي. الجزء الثالث: نموذج البلازما الأسطوانية ذات الكتلة المتغيرة". مجلة الفيزياء التطبيقية . 73 (11): 7900. Bibcode : 1993JAP....73.7900E . doi : 10.1063/1.353942 .
- ↑ سينغ، أ.؛ غوش، أ. (1999). "نموذج حراري كهربائي لإزالة المواد أثناء عملية التشغيل بالتفريغ الكهربائي". المجلة الدولية لأدوات وآلات التصنيع . 39 (4): 669. doi : 10.1016/S0890-6955(98)00047-9 .
- ↑ بيلستين ، روجر إي. (1999). مراحل إلى زحل: تاريخ تكنولوجي لمركبة الإطلاق أبولو/ساتورن (NASA-SP4206) . دار نشر ديان. ص 145. ISBN 978-0-7881-8186-3.
- 1 2 3 4 5 جيمسون 2001 .
- ↑ سيمون، ج. (1975). دليل عملي للتصنيع بالتفريغ الكهربائي، الطبعة الثانية . أتيليه دي شارميل، جنيف.
- ↑ تود، روبرت هـ.؛ ألين، ديل ك.؛ ألتينغ، ليو (1994). دليل مرجعي لعمليات التصنيع . دار النشر الصناعية. الصفحات 175-179 . ISBN 0-8311-3049-0.
- ↑ كابور، جاتيندر؛ سينغ، سيهيجبال (2012). "أقطاب سلكية عالية الأداء لتصنيع الأسلاك بالتفريغ الكهربائي - مراجعة". وقائع مؤسسة المهندسين الميكانيكيين، الجزء ب: مجلة هندسة التصنيع . 226 (11): 1757-1773 . doi : 10.1177/0954405412460354 .
- ↑ غودسية، دانيال؛ غولشان، أبو الفضل (2013). "مراجعة للاتجاهات البحثية الحالية في مجال التصنيع بالتفريغ الكهربائي السلكي (WEDM)" . المجلة الهندية للعلوم والتكنولوجيا . 6 (2): 154-166 . doi : 10.17485/ijst/2013/v6i2.18 .
- ↑ التصنيع بالتفريغ الكهربائي (EDM) . header.com
- ↑ دي نعوم، كات. "كل ما يتعلق بتصنيع الثقوب باستخدام تقنية التفريغ الكهربائي: التعريف والتطبيقات" . Xometry . تم الاطلاع عليه في 3 نوفمبر 2025 .
- ↑ كوجوكتورك، ج.؛ كوجون، ج. (2010). "طريقة جديدة لتشغيل قطع العمل غير الموصلة للكهرباء باستخدام تقنية التشغيل بالتفريغ الكهربائي". علوم وتكنولوجيا التشغيل . 14 (2): 189. doi : 10.1080/10910344.2010.500497 . S2CID 138552270 . (2010).
- ↑ أوكونكوفا، آنا أ.؛ فولوسوفا، مارينا أ.؛ حمدي، خالد؛ غخاشيم، خاسان إ. (فبراير 2023). "التشكيل الكهربائي للألومينا باستخدام طلاءات أحادية ومتعددة الطبقات من النحاس والفضة والنحاس، ووسط مائي مخلوط بمسحوق أكسيد الزنك" . التقنيات . 11 (1): 6. doi : 10.3390/technologies11010006 . ISSN 2227-7080 .
فهرس
جيمسون، إي سي (2001). تشغيل التفريغ الكهربائي . جمعية المهندسين الميكانيكيين. رقم ISBN 978-0-87263-521-0تمت أرشفة النسخة الأصلية بتاريخ 28-09-2011.
روابط خارجية
- تقنية جديدة للكشف عن القوس الكهربائي لتحسين كفاءة عمليات التصنيع بالتفريغ الكهربائي (مؤرشفة بتاريخ 3 فبراير 2019 على موقع Wayback Machine)
- التصميم الهندسي لتصنيع التفريغ الكهربائي
- كيف يتم صنع هذه المقاطع الرقيقة بشكل لا يصدق على يوتيوب بواسطة ستيف مولد (أبريل 2023)
- الأقواس الكهربائية
- صنع الثقوب
- التشغيل الآلي
- العمليات المعدنية
