ماشینکاری الکتروشیمیایی (ECM)
چکیده
در این پژوهش به مدلسازی روند ماشینکاری الکتروشیمیایی (Electro Chemical Machining)، که یکی از روشهای غیر سنتی و جدید ماشینکاری میباشد، پرداخته می‌شود. هدف از شبیه‌سازی این فرآیند کاهش هزینه‌های مربوط به مدلسازی و ساخت قالب‌های ماشینکاری، زمان و غیره میباشد. در این راستا، با بکارگیری رویکرد قدرتمند گسسته‌سازی با روش اجزاء محدود، مدلسازی انجام گرفته و معادلات حاکم بر فرآیند حل شده و فرسایش در هر گام زمانی برآورد می‌گردد. دستاوردها نشان از توانایی بسیار بالای این رویکرد در بازآفرینی رایانه‌ای این فرآیند دارد. دستاوردها، با ماشینکاری رایانه‌ای پره توربین نشان داده شده است.
واژه‌های کلیدی :
ماشینکاری الکترو شیمیای- برش آندی- اجزاء محدود- ECM
مقدمه
ماشینکاری الکتروشیمیایی که گاهی اوقات با نام برشکاری کاتدی نیز از آن یاد می‌شود یکی از روشهای اخیر ماشینکاری، با توانایی بالا برای استفاده، میباشد. پایه و اساس فرآیند جدید نمی‌باشد اما کاربرد فرآیند بعنوان یک ابزار فلزکاری بدیع میباشد. گسترش وسیع این فرآیند را می‌توان در راستای نیاز به ماشینکاری مواد سفت و سخت، افزایش یافتن هزینه تلاش و کوشش دستی و نیاز به پیکربندیهای ماشینکاری فرآتر از توانایی ماشینکاریهای مرسوم جستجو کرد.
یکی از برتریهای توانمند ECM در ماشینکاری سطح‌های هندسی پیچیده سه بعدی میباشد، بگونه‌ای که اثر ابزار برش بر روی قطعه کار باقی نمی‌ماند. عمر زیاد ابزار کار از ویژگیهای بارز این روش میباشد، بطوریکه می‌توان قطعات خیلی زیادی را تنها با یک سری قالب ساخت. ماشینکاری فلزات و آلیاژها، بدون توجه مقاومت و سختی آنها، از دیگر تواناییهای قابل بیان این روش میباشد. هرچند این تواناییها را می‌توان مشترک با روش Electric Discharge Machining, EDM یافت اما سطح ماشینکاری شده عاری از تنش و پرداخت سطح بسیار بالا (5 میکرون) جذابیتهای اضافی این روش میباشد، ]1[. ناگفته نماند که نرخ ماشینکاری مواد سخت با ECM، در مقایسه با روشهای مرسوم بیشتر است.
کاربردهای عملی ماشینکاری الکتروشیمیایی به تنهایی برای برداشت فلز از یک سطح بکار نمی‌رود بلکه می‌تواند برای پروفیل کردن یک قطعه نیز مورد استفاده قرار گیرد. بیشتر، پره‌های توربین گاز و بخار با این روش ماشینکاری می‌شوند و این تلاش نیز مدلسازی نمونه ای از این قطعات را نشان می‌دهد.
2- فرآیند ECM
میشل فارادی دریافت که اگر دو الکترود در داخل مایعی رسانا قرار بگیرند و به آنها جریان مستقیم اعمال گردد روکشی از ذرات فلز آند بر روی سطح فلز کاتد بوجود خواهد آمد. این فرآیند، در صنعت، سالها بانام آبکاری انجام می‌گیرد. با تغییرات ویژه‌ای، ECM دگرگون شده آبکاری میباشد. فرآیند ECM از ابزار و یا الکترودی که پیشتر شکل داده شده است استفاده می‌کند. از این دیدگاه که در ماشینکاری، مواد از روی قطعه‌کار برداشته می‌شود کاتد ابزار و آند قطعه‌کار میباشد. همچنین الکترولیتی در فاصله کوچک تامین شده بین قطعه‌کار و ابزار پمپ می‌شود، شکل 1.
شکل 1- طرحواره ماشینکاری الکتروشیمیایی
شکل 1 اجزای پایه‌ای فرآیند را که شامل ابزار، قطعه‌کار، الکترولیت و منبع تغذیه میباشد، نشان می‌دهد.
ECM فرآیندی پویا میباشد بگونه‌ای که در آن ابزار با نرخ ثابت به سوی قطعه‌کار حرکت کرده و همچنین مرز قطعه‌کار پیوسته فرسایش یافته و تغییر می‌کند و این روند تا به‌دست آمدن شکل نهایی محصول تکرار می‌گردد.
هنگام بازآافرینی رایانه‌ای در هر تکرار چگالی جریان محاسبه شده و بر اساس آن مقدار فرسایش سطح برآورد گشته و مرز سطح تغییر می‌کند.
3- تئوری حاکم در شکل‌دهی با ECM
تئوری ECM و حل مدلهای دو یا سه بعدی آن ساده نمی‌باشد و تنها روشهای عددی است که می‌تواند معادلات دیفرانسیل را برای هندسه‌های پیچیده بازگشایی کرده و پاسخ آنرا بدست آورد که در این شبیه سازی نیز استفاده شده است. اما حل تحلیلی و دقیق بعضی مدل ساده یک‌بعدی ممکن می‌باشدکه جهت تفهیم بهتر نحوه مدلسازی در زیر به آن پرداخته می‌شود. نخست ساده سازیهایی برای حل مدل یک‌بعدی ساده بصورت زیر در نظر گرفته می‌شود:
1- ابزار و قطعه کار دارای رسانایی بالا در قیاس با محلول الکترولیت می‌باشند و همچنین سطح ابزار و سطح کار هم پتانسیل هستند.
2- ولتاژ وابسته به واکنش الکتروشیمیایی در الکترودها صفر است از این رو قانون اهم مستقیما بکار می‌رود.
3- خواص سیستم یکنواخت بوده و به جهت بستگی ندارد.
4- جریان الکترولیت تاثیر مهمی بر رسانایی ویژه الکترولیت ندارد و این مقدار در عملیات ECM ثابت باقی می‌ماند.
5- کل جریان برای براده برداری بکار می‌رود.
در این شرایط نرخ تغییر فاصله بین ابزار و قطعه‌کار، ، نسبت به سطح ابزار از قانون فارادی بدست می‌آید ]2-3[:
(1)
که در آن وزن اتمی، ظرفیت یون حل شده، ثابت فارادی، چگالی فلز آند، قطعه کار، سرعت پیشروی ابزار و شدت جریان است. شدت جریان از قانون اهم به شکل زیر بدست می‌آید:
(2)
در معادله بالا رسانایی الکترولیت و اختلاف پتانسیل است. با قرار دادن در معادله 2، معادله 3 حاصل می‌شود:
(3)
و در حل معادله فوق دو حالت عملی را می‌توان بررسی کرد که در ادامه آورده شده‌اند.
الف) سرعت پیشروی ابزار صفر
پاسخ برای در مدت زمان بصورت زیر به‌دست می‌آید:
(4)
که در آن فاصله ماشینکاری اولیه است. همانگونه که دیده می‌شود فاصله دهنه با ریشه دوم زمان به‌صورت نامحدود زیاد می‌شود، شکل 2 (الف). این حالت اغلب در پلیسه‌گیری با ECM به کارمی‌رود که در آن ناهمواریهای سطح در چند ثانیه برداشته شده و نیازی به حرکت مکانیکی الکترود نیست.
ب) سرعت پیشروی ثابت
ابزار با سرعت ثابتی به طرف قطعه کار حرکت می‌کند. پاسخ معادله 3 به شکل بدست می‌آید:
(5)
توجه شود که فاصله دهنه‌ها به یک مقدار پایدار نزدیک می‌شود.
(6)
این حالت ECM که در آن فاصله تعادلی بدست می‌آید به طور گسترده در تولید مجدد شکل کاتد ابزار روی قطعه‌کار بکار می‌رود. نمایش شماتیک حل معادله 5 در شکل 2 (ب) مشاهده می‌شود.
شکل 2- تغییرات فاصله دهانه با مدت زمان ماشینکاری الف )سرعت پیشروی الکترود صفر ب) سرعت پیشروی ثابت
در حالت‌های دو و سه بعدی با هندسه پیچیده و مرزهای منحنی معادله 2 برقرار نمی‌باشد. این عدم برقراری به‌سبب توزیع غیر یکنواخت پتانسیل الکتریکی در الکترولیت میباشد. از این رو برای بدست آوردن میدان شدت جریان باید از رابطه زیر استفاده کرد ]4[:
(7)
که در آن پتانسیل از حل معادله لاپلاس، معادله 8، در هر نقطه از الکترولیت به‌دست می‌آید.
(8)
و در آخر قانون فارادی:
(9)
برای محاسبه سرعت پسروی آند به کار می‌رود.
روشهای مختلفی از جمله روش کاملا تحلیلی، روش گرافیکی- قیاسی و غیره برای حل این معادلات به کار رفته است. به علت پیچیدگی مساله شکل‌دهی در ECM، بکارگیری این روشهای در مسایل عملی مشکل است. بدون شک روشهای عددی کامپیوتری عملی‌ترین راه حلها را پیشنهاد می‌دهند و شاید بهره‌جویی هنرمندانه از آنها تا اندازه‌ای زیاد طراحی تجربی و مرسوم ابزار را به دست تاریخ پسپارد.
4- اجزاء محدود ECM
روش اجزاء محدود رویکردی توانمند برای تحلیل عددی طیف وسیعی از مسایل مهندسی میباشد. تحلیل تنش و تغییر شکل سازه‌های بزرگ و پیچیده، بررسی مسایل انتقال حرارت و جریان سیال و غیره پهنه‌های گسترده برای حضور اجزائ محدود میباشد ]5[.
همانگونه که پیشتر اشاره شد اغلب در مسایل دو بعدی برای بدست آوردن شدت جریان باید از روشهای عددی کمک گرفت. در این تلاش روش اجزاء محدود برای این منظور انتخاب شده است. و همچنین برای برپایی معادلات اجزاء محدود از ANSYS کمک گرفته شده است و با رویکردی برگرفته از آنالوژی میان معادلات حرارت و مغناطیس از المان PLANE 55 که المانی حرارتی میباشد ]6[ برای مدلسازی الکترولیت استفاده شده است. در روند اجرای برنامه شدت جریان در میدان الکترولیت به‌دست آمده و با استفاده از اصل فارادی مقدار خوردگی فلز قطعه‌کار محاسبه شده سپس مرزهای قطعه کار جابجا شده و میدان هندسی الکترولیت با توجه به این جابجایی دوباره ساخته و با المان یاد شده دوباره مش‌بندی می‌شود و دوباره تحلیل تا انتها ادامه میبابد . شکل 3 ابزار کار، قطعه‌کار، هندسه میدان الکترولیت و مش‌بندی الکترولیت نمونه اجرا شده را نشان می‌دهد.
شکل 3- مدل هندسی اولیه ساخته شده (بالا)، مش‌بندی الکترولیت (پایین)
شایان ذکر است که نرم‌افزار ANSYS تنها برای حل معادله‌های حاکم بکار گرفته شده است و برای شبیه‌سازی روند فرآیند ECM برنامه جدا‌گانه‌ای با نام ECMSIM نوشته شده است. این برنامه نوشته شده شامل 14 فایل به زبان پایه برنامه Ansys میباشد . جهت رویت بعضی از فایل ها و نحوه ارتباط آنها با یکدیگر و ههچنین وظیفه هریک از این فایلها در این شبیه سازی میتوایند به مرجع 4 مراجعه کنید.
در روند برنامه باید شرط تعادل پیش از شرط خاتمه گنجانده شود. به دیگر سخن، نخست قطعه‌کار باید به صورت شکل نهایی، اما بزرگتر از آن، تغییر یابد و سپس این ساختار پایا تا اندازه خواسته شده، پایان فرآیند، کوچک شود.
شرط تعادل و خوردگی ثابت را می‌توان با کمک شکل 4 به‌دست آورد. همانگونه که از شکل برمی‌آید جهت جریان بر سطح قطعه‌کار عمود در نظز گرفته شده است و این پنداشت ناشی از هدایت بالای فلز در قیاس با الکترولیت میباشد. از اینرو برای برپایی معادله نرخ فرسایش می‌توان رابطه 10 را بکار گرفت.
(10)
که در آن نرخ فرسایش و اندازه جریان عمود بر سطح میباشد. با این نرخ و گذر زمان عمق خوردگی، ، در راستای عمود بر سطح از رابطه 11 به‌دست می‌آید.
(11)
شکل 4- طرحواره حرکت ابزار، جهت جریان و راستای خوردگی قطعه‌کار