صنايع پيشرفته تكنولوژيكي نظير هوانوردي، راكتورهاي هسته‌اي، خودروسازي و... همواره به موادي نياز دارند كه از نسبت «استحكام به وزن» بالايي برخوردار باشند (آلياژهاي مقاوم در برابر دماهاي بالا). پژوهشگران علم مواد نيز موادي را به‏وجود مي‌آورند كه داراي استحكام، سختي و چقرمگي بالاتر و همچنين خواص متنوع ديگر باشند. اين امر، به رشد و توسعه جنس ابزار برش بهتر منجر شده و از كاهش بهره‌وري پيشگيري مي‌كند.

در فرايندهاي ماشينكاري سنتي، افزايش سختي جنس قطعه كار، باعث كاهش سرعت برش اقتصادي مي‌شود. دست‌يابي به جنس ابزاري سخت و مقاوم كه بتواند موادي نظير تيتانيوم، فولاد زنگ‌نزن، نيمونيك‌ها و ديگرآلياژهاي مشابه با مقاومت حرارتي و استحكام بالا (HSTR) [2]، كامپوزيت‌هاي تقويت شده با الياف، استليت‌ها (آلياژهايي با پايه كبالت)، سراميك‌ها و آلياژهايي را كه ماشينكاري آنها مشكل است، در سرعت‌هاي برش اقتصادي برش بزند، ديگر امكان‌پذير نيست. توليد شكل‌هاي پيچيده در چنين موادي با استفاده از روش‌هاي سنتي، بسيار مشكل است. نيازهاي ديگر كه در سطحي بالاتر قرار مي‌گيرند، عبارتند از: پرداخت بهتر، مقادير كمترتلرانس‌ها، نرخ توليد بالاتر، شكل‌هاي پيچيده، انتقال اتوماتيك داده‌ها و ساخت در مقياس‌هاي بسيار كوچك (مينياتوري). ايجاد سوراخ (با زواياي ورودي كم، غيردايره‌اي، با اندازه‌هاي ميكروني، نسبت ابعادي زياد، تعداد زيادي سوراخ ريز در يك قطعه كار، سوراخ‌هاي منحني شكل، سوراخ بدون پليسه و ...) در موادي كه سخت ماشينكاري مي‌شوند، موارد ديگري است كه فرايندهايي مناسب را مي‌طلبد. ويژگي‌هاي يادشده، عموماً در محصولاتي موردنياز هستند كه در صنايعي نظير هوافضا، راكتورهاي هسته‌اي، موشك‌ها، توربين‌ها، خودروها و... استفاده مي‌شوند. براي پاسخگويي به اين نيازها، انواع ديگر از فرايندهاي ماشينكاري با عنوان فرايندهاي غيرسنتي يا به بياني صحيح‌تر، فرايندهاي پيشرفته ماشينكاري، رشد و توسعه يافته‌اند.

براساس آنچه گفته شد، نياز به ماشين‌هاي ابزار و فرايندهايي كه بتوانند به دقت و سهولت هرچه بيشتر شكل‌هاي پيچيده و دقيق را در موادي با كمترين قابليت ماشينكاري ايجاد كنند، بشدت احساس مي‌شود.

شكل1: نمايي از يك ماشين واترجت (WJM)

علاوه بر اين، ماشين‌هاي ابزار بايد به سادگي قابل انطباق با اتوماسيون باشند. براي دست‌يابي به اين مهم، تاكنون تعدادي از فرايندهاي برداشت ماده، با هدف استفاده به صورت تجاري، توسعه داده شده‌اند. از آنجا كه در اين روش‌ها، از ابزار سنتي براي بريدن مواد استفاده نمي شود، آنها را غيرقراردادي[3] نيز مي‌نامند. در اين فرايند براي برداشت ماده از قطعه كار از انرژي به صورت مستقيم استفاده مي‌شود. دامنه كاربرد فرايندهاي جديد ماشينكاري توسط خواص قطعه كار، مانند هدايت الكتريكي و حرارتي، دماي ذوب، معادل الكتروشيميايي و... تعيين مي‌شود. بعضي از اين روش‌هاي جديد مي‌توانند نقاطي از قطعات كار را ماشينكاري كنند كه دسترسي به آنها با روش‌هاي قراردادي ماشينكاري، امكان‌پذير نيست. استفاده از اين روش‌ها در كارگاه‌ها، افزايش اجتناب‌ناپذير و مطلوبي داشته است. اهميت اين فرايندها با توجه به انجام ماشينكاري دقيق و يا فوق دقيق، بسيار بيشتر مي‌شود. «تاني گوچي» به اين نتيجه رسيد كه دقت‌هاي بالا را نمي‌توان با روش‌هاي قراردادي ماشينكاري به دست آورد زيرا در آنها، ماده به شكل براده برداشته مي‌شود. با اين وجود، چنين دقت‌هايي را مي‌توان با استفاده از برخي روش‌هاي پيشرفته ماشينكاري به دست آورد كه در آنها، ماده به شكل اتم‌هاي جدا يا مولكول‌هاي جدا و يا گروهي از اتم‌ها و مولكول‌ها، برداشته مي‌شود.

فرايندهاي پيشرفته ماشينكاري را مي‌توان به سه گروه اصلي: ماشينكاري مكانيكي، ترموالكتريكي و الكتروشيميايي طبقه‌بندي كرد (شكل2). هيچ يك از اين فرايندها، تحت تمام شرايط و حالات ماشينكاري، بهترين روش نيستند. بعضي از آنها فقط براي مواد هادي الكتريسته استفاده مي‌شوند و از برخي ديگر مي‌توان براي مواد رسانا و غيررساناي الكتريسته، استفاده كرد. عملكرد بعضي از اين روش‌ها در ماشينكاري موادي مانند آلومينيم كه هدايت حرارتي بسيار بالايي دارد، چندان مناسب نيست. همچنين، هر كدام از فرايندها، ويژگي‌هاي منحصر بفرد خود را دارند. بنابراين، انتخاب فرايند ماشينكاري مناسب براي وضعيتي خاص (يا نيازهاي محصول) بسيار مهم است.

شكل2: طبقه‌بندي روش‌هاي پيشرفته ماشينكاري

فرايندهاي پيشرفته ماشينكاري

روش‌هاي پيشرفته ماشينكاري مكانيكي، نظير: ماشينكاري با جت ذرات ساينده يا جت سايشي (AJM)، ماشينكاري فراصوتي (USM)، ماشينكاري با جت آب (WJM)، با موفقيت‌هاي محدودي توسعه داده شده‌اند. در اين فرايندها، از انرژي جنبشي (K.E) ذرات ساينده يا جت آب، براي برداشت ماده از قطعه كار استفاده مي‌شود. ماشينكاري با استفاده از جت آب و ذرات ساينده (AWJM) نيز از انرژي جنبشي (K.E) ذرات ساينده همراه با جت آب، استفاده مي‌كند. پرداخت‌‌كاري با استفاده از ذرات ساينده مغناطيسي (MAF) روش ديگري است كه در آن، از برس ساينده مغناطيسي براي كاهش ناهمواري‌هاي موجود بر سطوحي كه قبلاً ماشينكاري شده‌اند، استفاده مي‌شود. بتازگي، فرايند پرداخت‌كاري جديدي به نام ماشينكاري با جريان ذرات ساينده (AFM) گسترش يافته است. با اين وجود، عملكرد اين روش‌ها به سختي، استحكام و ديگر خواص فيزيكي و مكانيكي قطعه كار بستگي دارد. نكته موردنياز، توسعه روشي (روش‌هايي) است كه عملكرد آن مستقل از خصوصيات فيزيكي، متالوژيكي و مكانيكي قطعه كار باشد. روش‌هاي ترموالكتريكي قادرند بر برخي موانع غلبه كنند. بنابراين، از فرايندهاي ترموالكتريكي و همچنين فرايندهاي الكتروشيميايي، بيشتر و بيشتر در صنايع فلزكاري استفاده مي‌شود.

شكل3

در روش‌هاي ترموالكتريكي، انرژي يا به صورت گرما (ماشينكاري با قوس پلاسما-PAM) يا به صورت نور (ماشينكاري با اشعه ليزر- LBM) و يا بمباران الكتروني (ماشينكاري با اشعه الكتروني-EBM) تأمين مي‌شود. در اين شيوه، انرژي بر محدوده‌اي كوچك از قطعه كار متمركز شده كه منجر به ذوب، يا ذوب همراه با تبخير مي‌شود. PAM، به عنوان فرايند ماشينكاري خشن، شناخته شده است. LBM و EBM براي ايجاد برش‌ها و سوراخ‌هاي دقيق و ظريف، مناسب هستند. ماشينكاري با تخليه الكتريكي (EDM) قادر به ماشينكاري اقتصادي و با دقت بالاي مواد است. از اين روش، به طوري گسترده براي ماشينكاري مواد سخت و چقرمه، اما هادي الكتريسيته استفاده مي‌شود. با اين وجود، فرايند يادشده در مواردي كه پرداخت سطح خيلي خوب، صدمه كم به سطح ماشينكاري شده و نرخ برداشت ماده (MRR) زياد موردنياز است، مناسب نيست. بنابراين، حتي فرايندهاي پيشرفته ماشينكاري (AMPs) مكانيكي و ترموالكتريكي نيز، راه‌حلي رضايت‌بخش براي برطرف كردن برخي مشكلات ماشينكاري موادي كه ماشينكاري آنها مشكل است، ارائه نمي‌دهند.

شكل4

ماشينكاري شيميايي (ChM) فرايند حكاكي يا كنده‌كاري شيميايي[4] است، كه به دليل MRR بسيار پايين و مشكلات موجود در يافتن محلول شيميايي مناسب براي حكاكي قطعه كار، كاربردهايي بسيار محدود دارد. از سوي ديگر، ماشينكاري الكتروشيميايي (ECM) كاربردهايي بسيار گسترده دارد. اين فرايند در واقع فرايند حل شدن كنترل شده «آند» با MRR بالا است كه به هيچ يك از خواص فيزيكي و مكانيكي قطعه كار بستگي ندارد، اما قطعه كار بايد از نظر الكتريكي رسانا باشد. در اين روش سايش ابزار، تنش‌هاي پسماند و صدمه حرارتي در قطعه كار ايجاد نمي‌شود و لبه‌هاي ماشينكاري شده نيز فاقد پليسه هستند. با اين وجود، اكثر فرايندهاي پيشرفته ماشينكاري نمي‌توانند به طور كامل جايگزين فرايندهاي قراردادي ماشينكاري شوند. ماشينكاري بيوشيميايي (BM) فرايندي در حال پيشرفت است كه به منظور ماشينكاري پلاستيك‌هاي تجزيه‌پذير[5] به كار مي‌رود و كاربردهايي بسيار محدود دارد.

بهترين عوامل به هنگام انتخاب يك فرايند، عبارتند از: قابليت فرايند، عوامل فيزيكي، شكلي كه بايد ماشينكاري شود، خواص جنس قطعه كار، و مقرون به صرفه بودن فرايند.

فرايندهاي مختلط (تركيبي)

به منظور افزايش توانمندي‌هاي فرايندهاي ماشينكاري، دو و يا بيش از دو فرايند ماشينكاري با يكديگر تركيب مي‌شوند تا از مزاياي هر يك، بتوان بهره برد. مثلاً، سنگ‌زني قراردادي يا معمولي، پرداخت سطح خوب و مقادير تلرانس پاييني دارد، اما قطعات ماشينكاري شده توسط آن، داراي پليسه، منطقه متأثر از حرارت و تنش‌هاي پسماند هستند. از آنجا كه قطعات ماشينكاري شده به روش الكتروشيميايي، فاقد چنين عيوبي هستند، فرايندي مختلط به نام سنگ‌زني الكتروشيميايي (ECG) رشد و توسعه داده شده است. به همين ترتيب، فرايندهاي مختلط ديگري نظير ماشينكاري الكتروشيميايي جرقه‌اي (ECSM) [6]، ماشينكاري الكتروشيميايي قوسي (ECAM) [7]، سنگ‌زني سايشي با تخليه الكتريكي (EDAG) [8] و ... نيز ايجاد شده‌اند.

منابع

1. كتاب فرايندهاي پيشرفته ماشينكاري –دكتر نصراله بني مصطفي عرب- بهزاد فريور- سالار فتحي-1383- انتشارات آزاده

2. Jain V.K.,"Advanced Machining Technology", Allied Publishers Limited, 2002.

3. Pandey P.C "Modern Machining Processes "Tata McGraw-Hill,1980.

4. Kalpakjian Serope, "Manufacturing Engineering and Technology" Addison-Wesley-1995.

[1]. Advanced Machining Processes

[2]. High Strength Temperature Resistant

[3]. Unconventional

[4]. Etching

[5].Biodegradable.

[6]. Electrochemical Spark Machining

[7]. Electrochemical Arc Machining

[8]. Electro discharge Abrasive Grinding