تحلیل اثر متغیرهای خشنکاری وايرکات بر پهنای شيار و گپ ماشينکاری مسير مستقيم و قوس گوشه
از مهمترين مشكالت فرآيند ماشينکاري تخليه الکتريکي سيمي )وايرکات(، دقیقنبودن هندسهی برش گوشه و قوس گوشه است. دستيابي به شکل هندسي صحيح و دقت ابعادي باال میتواند برتری این فرآيند را استوار نماید. مطالعهی شيار برش ميتواند به تحليل و پيشبيني خطا در برش وايرکات کمک نماید. در اين تحقيق، شکاف واقعی برش روي مسير مستقيم و قوس گوشه در مرحلهی خشنکاری بررسي شده است. آزمایشها بر اساس سه متغیر فرکانس تخليه، کشش سيم و شعاع قوس توسط روش فاکتوريل کامل طراحي شدهاند. به کمک تحليلهای آماري اثر این متغيرها بر پهناي شيار برش روي مسير مستقيم و قوس گوشه ارزیابی شدهاست. مقادیر تجربی گپ ماشينکاری روي مسير مستقيم و گپ متوسط ماشينکاری روي قوس گوشه برای شرایط مختلف آزمون به دست آمدهاند. تقعر دیوارهی قوس داخلی و تحدب دیوارهی قوس بیرونی مسیر در روی قوس گوشه، در اندازهگیری پهناي شيار خطا ایجاد مینماید. در محل خروج سیم از مسیر قوس انباشتگي مواد دیده میشود. با توجه به آزمایشها و محاسبهی گپ متغیر ماشينکاری روی قوس گوشه، مقادیر تجربی انحراف سیم و خطای ماشینکاری قوس محدب گوشه محاسبه میشوند.
1 از بین روشهای ماشینکاری غیرسنتی، وايرکات به عنوان يک روش اقتصادي و موثر براي تولید دستهی بزرگی از قطعات شناخته شده است. قابلیت تولید قطعات نازک و پیچیده با پروفيلهاي دقيق، این روش را به روشی ايدهآل براي توليد قطعات صنعتی و آزمایشگاهی تبدیلنموده است. يکي از زمينههاي مهم تحقيقاتي فرآيند وايرکات، مطالعه مسيرهاي حرکتي برای بهبود دقت ابعادي قطعات توليدی است. در برشهای دقیق وایرکات ارتعاش و خیز سیم، مشکل بحرانی است. ارتعاش و خیز سیم 1 آن میشوند. بههرحال، يکي از متغيرهایی باعث تغيير شكل و واماندگي که اثر مستقيم روي دقت ساخت قطعات به وسيله وايرکات دارد تغيير شكل 2 است. این عامل در مرحلهی خشنکاري علت اصلی بيدقتيهای سيم گوشهها و انحناهاست. در ماشينکاري گوشهها زماني که شعاع مسير کوچکتر از نصف پهناي شيار برش باشد تخليه الکتريکي روي بخشي 3 .)درنتیجه سیم در اثر نيروي از سطح سيم رخ ميدهد )تخليهی جزیي انفجار پالسما، هم در جهت معکوس جهت برش و هم در جهت عمود بر آن خم ميشود. زماني که شعاع مسير بزرگتر از نصف پهناي شيار برش .)4 باشد تخليه در تمام سطح جلوي سيم انجام ميشود )تخليهی کامل در اين حالت سيم تنها در جهت معکوس جهت برش خمميشود ]1-2 .] افزایش دما و افزایش شدت ميدان الکتريکي نیز از متغيرهای ایجاد خطا در برش گوشهها هستند ]3-4.] خطای ماشینکاری گوشهها و انحناها در وایرکات توسط محققين مختلف مورد توجه قرارگرفته است. این محققین با کنترل متغیرهای ماشین و تغيير مسير )جابهجايي مسير( سعی نمودهاند تا میزان انحراف سیم از مسیر برنامهریزی شده را کاهش و در نتیجه بیدقتی برش گوشهها را کاهشدهند. نتایج این تحقیقات در مراجع ]5-10 ]آورده شدهاند. همانگونه که گفته شد گوشهها بر حسب شکل هندسي به 7 6 و گوشههای کوچک-شعاع 5 ،گوشههای بزرگ-شعاع گوشههاي تيز تقسيم میشوند ]1 .]بررسي ماشینکاری گوشههاي کوچک-شعاع از اهميت زيادي برخوردار است. در تحقيق حاضر، پهنای شیار برش روی مسیر مستقیم و قوس گوشه در برش یک مرحلهای وایرکات بررسیشده، اثر متغیرهای ماشینکاری روی آنها و همچنین ارتباط آنها با خطای ماشینکاری بحث میشود. پهناي شيار برش از جمله متغيرهایی است که ميتواند به تحليل و پيشبيني خطا در برش وايرکات کمک نمايد. ثابت بودن پهناي شيار در طول مسير برش منجر به بار باقيمانده يکنواخت و کاهش خطاي برش ميشود. پهنای شیار ایجاد شده در فرآيند وایرکات به متغيرهای 1 مختلفی مانند فرکانس تخلیهی الکتریکی، کشش سيم، انرژي جرقهها،
فشار پاشش ديالكتريك، دور نمودن ناكارآمد برادهها و سرعت تغذيه سيم بستگی دارد. برخی تحقيقات گذشته، اثر متغیرهاي ماشينکاري روي پهناي شيار برش را بررسی نمودهاند. بررسی اثر متغیرهای ولتاژ مدار باز، زمان روشني پالس، سرعت سيم و پاشش ديالکتريک روي پهناي شيار به روش تاگوچي نشانمیدهد که از ميان اين متغیرها، ولتاژ مدار باز مؤثرترین است ]11 .]در حالی که تحقيق روی ماشینکاری تخلیه 8 با کار تجربی نشانمیدهد که افزايش کشش، الکتروشیمیایی سیمی 9 شيار و افزايش فركانس منبع قدرت، باعث يکنواختي شيار باعث راستی برش ميشود ]12 .]با تشکیل يک مدل ارتعاش عرضی سيم میکرو وایرکات و به وسیلهی کار تجربی میتوان رابطهی بین متغیرهای ماشینکاری و دامنهی ارتعاش سیم را تحلیل نمود ]13 .]محقق در این مطالعه به نقش کليدي ارتعاش سيم در تعيين پهناي شيار، اشاره و ادعا نموده که به وسیلهی سیم 30 میکرونی شیار برش 8/30 میکرون قابل دستیابی است. 2 -مواد، شرايط انجام آزمايشها و اندازهگيري در اين تحقيق آزمايشها بر روي نمونههای فوالد 2510/1( O1:AISI ) به ابعاد 9 × 49 × 54 میلیمتر انجام شدند. برای آمادهسازی نمونهها، پس از فرزکاري، طبق استاندارد ASM عمليات حرارتي تنشگيري اجرا شد و سپس کليه سطوح آنها با دقت توازی 2 ±دقیقه سنگزده شدند. براي جلوگيري از ايجاد تنش پسماند، عمليات سنگزني با بار کم و مایع خنککاري زياد انجام شد. نمونهها بعد از آمادهسازي با استفاده از ساعت ميکروني روي ميز ماشين وایرکات تنظیم و بسته شدند. همهي آزمايشهاي اين تحقيق به وسيلهي ماشين وايرکات شارمیلز روبوفیل 10200 و با سيم SW25X( با قطر 25/0ميلي متر( انجام شدند. سيم مورد استفاده همان سيم پيشنهادي سازنده در کاتالوگ ماشين بود. با در نظر گرفتن حداقل فاصله کلگيهاي باال و پايين ماشين تا سطح باال و پایین قطعهکار، نمونهها طبق آزمايشهاي طراحي شده، بریده شدند. در حين انجام آزمايشها سعي شد که شرايط محيطي پايدار و ثابت بمانند. براي اندازهگيري بار باقيمانده از کمپراتور مکانيکي پیکوک11 در شرايط اتاق تميز استفاده شد ]14 .]براي اندازهگيري پهناي شيار از سامانه اندازهگیری ويديویی12 VMS مدل ARCS در شرايط اتاق تميز استفاده شدهاست. در ماشین وایرکات تنظیمات متغیرها برای مراحل مختلف برش به وسیله سازنده ماشین پیشنهاد میشود. این مقادیر بسته به ضخامت و جنس قطعهکار و سیم تغییر مینمایند. تنظیمات پیشنهادی سازنده ماشین13 برای برش یک مرحلهای خشنکاری براي فوالد به ضخامت
10 ميليمتر در مرجع ]15 ]آورده شده است. همانگونه که اشاره شد در فرآیند وایرکات متغیرهای مختلفی روی پهناي شيار برش اثر دارند. از میان متغیرهای مرجع ]15 ،]متغیرهای فرکانس تخلیه و کشش سیم میتوانند اثر زیادی روی پهناي شيار برش داشته باشند. در تحقیق حاضر، اثر این دو متغیر روی پهناي شيار مسیر مستقیم و قوسهای گوشه با شعاعهای مختلف بررسی شده است. براي انجام آزمايشها، فرکانس تخليه در دو سطح )13 و 18 کيلو هرتز(، کشش سيم در سه سطح )10 ،5/12 و 15 نيوتن( و شعاع قوس در سه سطح )150 ،300 و 450 ميکرون( در نظر گرفته شد و ساير متغیرها برابر مقدار پيشنهادي سازنده ثابت در نظر گرفته شدند. با توجه به ماهيت فرآيند تخليه الکتريکي و تعداد زياد متغیرهاي موثر بر پهناي شيار برش، يافتن مقادير بهينهی متغیرها از روشهاي تحليلي امكانپذير نيست. بنابراين باید از روشهاي تجربي همراه با تحليلهاي آماري براي يافتن مقادير بهينهی آنها استفاده نمود ]16-19 .]در این تحقیق از روش طراحي آزمايشها و تحلیل رگرسیون براي بررسی اثر متغیرها بر روی پهناي شيار برش، استخراج شرايط ماشينکاري بهينه و رابطهي بين این متغیرها و خروجي استفاده شده است. طراحي آزمايش به روش فاکتوريل کامل، اطالعات جامعي را از فرآيند فراهم میآورد. ازاینرو، براي انجام آزمايشها از اين روش استفاده شده است. 3 -پهناي شيار برش روي مسير مستقيم طبق آزمايشهای طراحي شده، سطوح مختلف متغیرها در مرحله خشنکاری آزموده شدهاند. شكل 1 يک شيار ايجاد شده به وسيله وايرکات روي مسير مستقيم توسط سیم SW25X به قطر 250 میکرومتر و جدول 1 مقادير پهناي شيار روي مسير مستقيم، ، در مرحلهي خشنکاری برای شرایط مختلف آزمون را نشانميدهد.
5 -بحث و بررسي با انجام آزمایشها و به کمک نمودارهاي آماري، اثر متغیرهاي فرکانس تخليه و کشش سيم روي پاسخ ، و اثر متغیرهاي فرکانس تخليه، کشش سيم و شعاع قوس روي پاسخ مشخص شد. متغیر فرکانس، بيانگر تعداد جرقه )تخليه( در واحد زمان است. در دستگاه مورد نظر به دلیل اینکه زمان روشنی پالس ثابت است با افزایش فرکانس تخلیه، زمان خاموشی پالس کاهشمی‌یابد. بنابراین در فرکانسهای باالتر، انرژی بیشتری به صورت جرقه در واحد زمان آزاد و سبب افزایش نرخ باربرداري و انبساط شیار برش میشود. تنظيم كشش سيم براي بهبود مستقيم بودن )راستی( و صاف بودن شيار بسيار مهم است. کشش سیم باالتر، خيز و ارتعاش سيم و در نتيجه پهنای شيار برش را كاهشميدهد. افزایش شعاع قوس سبب کاهش انحنای مسیر روی قوس میشود. در این بخش به کمک نتایج حاصل از آزمایشها و روابط تحلیلی، برخی پدیدههای اتفاق افتاده در برش مسیر مستقیم و قوس گوشه )مانند گپ ماشينکاری، انحراف سیم و خطای ماشینکاری( تجزیه و تحلیل میشود. مقايسه مقادير و نشانميدهد که در هر شرایط آزمون، مقدار کمي از بيشتر است. در خشنکاري وايرکات به دليل حجم زياد باربرداري، نيروي زيادي )ناشی از فشار پالسما و انفجار آن و انفجار غالف بخار اطراف آن( توليد شده و به علت درگير بودن نيمي از محيط سيم، خيز سيم يک پدیده اجتنابناپذير است. در برش مسير مستقيم، خيز سيم همواره در راستاي برش به سمت عقب است و مولفهاي در راستاي جانبي شیار ندارد ولي در روي قوس خيز سيم، عالوه بر یک مولفه در راستاي مماس بر قوس، مولفهای در راستاي شعاعي قوس نیز دارد که جهت اين مولفه همواره به سمت داخل قوس است. وجود چنین مولفهای باعث ميشود سطح دیوارهی بيروني شيار برش محدب و سطح دیوارهی داخلي آن مقعر شود. در حالي که در روي مسير مستقيم به دليل نبود چنین مولفهای، ديوارهی دو طرف شيار کامال عمودي است. همانگونه که اشاره شد در این مقاله برای اندازهگیری پهنای شیار از VMS استفاده شدهاست. اين وسيله مطابق شكل 12 در روي ديوارهی محدب و مقعر خطاي اندازهگيري ايجاد مينماید. پس اندازهی بهدستآمده براي به علت غیر مستقیم بودن ديوارهی شيار در روی قوس، کمتر از مقدار واقعي آن است و اختالف آن با مقدار واقعي وابسته به خيز سيم و ارتفاع قطعهکار است. صرفنظر از این خطا، پهناي شيار در روي قوس کمتر از پهناي شيار متناظر با آن روي مسير مستقيم است. دليل اين امر وجود لقي احتمالی راهنماهای سیم و نبود تعادل نیروهای شعاعی وارد بر سیم در روي قوس است. در روي قوس، نیروهای وارد بر سیم آن را به سمت مرکز قوس منحرف مینماید. بنابراین در صورت وجود لقي احتمالی راهنماهای سیم، سیم نمیتواند مانند مسير مستقيم در راستاي عرضي شيار ارتعاش نماید و درنتیجه ارتعاشات عرضي آن محدود شده و پهنای شیار باریکتر ميشود.
