ماشینکاری وایرکات: تعریف، کاربردها و مواد اولیه

آخرین به روزرسانی

مقدمه

استفاده از تخلیه الکتریکی به عنوان روش ماشینکاری به کار دو مهندس در اتحاد جماهیر شوروی در سال 1943 بازمی‌گردد. آن‌ها یک ماشین تخلیه الکتریکی ساده ساختند که می‌توانست با دقت بالا به فرسایش مواد با سختی بالا مانند تنگستن بپردازد. در این دستگاه از تخلیه یک شبکه ساده مقاومت-خازن استفاده می‌شد. نوآوری آن‌ها جرقه‌ای برای مجموعه‌ای از نوآوری‌های دیگر در 20 سال بعدی شد.

تقریباً در همان زمان در ایالات متحده، یک ماشین فرسایش جرقه‌ای نیز برای برداشتن پیچ‌های شکسته و قلاویزها از قطعات ریخته‌گری آلومینیوم در حال توسعه بود. آن دستگاه اولیه می‌توانست 60 تخلیه در ثانیه ایجاد کند. نسخه‌های بعدی که از تولید پالس توسط لامپ خلاء استفاده می‌کردند، قادر به ایجاد چند هزار تخلیه در ثانیه بودند که به سرعت ماشینکاری قابل توجهی منجر می‌شد.

توسعه بعدی ماشینکاری جرقه‌ای با استفاده از یک سیم تغذیه‌شده به عنوان الکترود، به فرآیندی منجر شد که امروزه آن را به نام ماشینکاری وایرکات (Wire EDM) می‌شناسیم. پس از آزمایش‌های فراوان در زمینه تبدیل ماشینهای فرز مجهز به کارت پانچ به‌عنوان فرسایش‌گرهای سیمی، اولین دستگاه ماشینکاری وایرکات موفق در سال 1967 در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شد. تا دهه 1980، ماشینکاری تخلیه الکتریکی (EDM) می‌توانست با سرعت 64 میلی‌متر مربع بر دقیقه کار کند. امروزه این فرآیند به عنوان یک روش ماشینکاری جایگزین برای مواد سخت مانند فولادهای پیش-سخت شده، تنگستن، فولاد زنگ‌نزن و تیتانیوم مطرح است. در این مقاله به بحث بیشتر درباره ماشینکاری وایرکات، تعاریف، کاربردها و مواد مرتبط می‌پردازیم.

ماشینکاری وایرکات (Wire EDM) چیست؟

ماشینکاری تخلیه الکتریکی سیمی (Wire EDM) فرآیندی است که با تغذیه مداوم یک الکترود سیمی تحت کشش روی یک محور عمودی کار می‌کند.ولتاژ تخلیه از طریق سیم عبور می‌کند، از یک مایع دی‌الکتریک (غیر رسانا) عبور کرده و به قطعه‌کار که به زمین متصل است، می‌رسد. قطعه‌کار در صفحه X-Y حرکت می‌کند تا یک الگوی برش مشخص در ماده ایجاد شود. این فرسایش می‌تواند از لبه‌های بیرونی قطعه‌کار آغاز شود یا با سوراخ‌کاری شروع شده و سپس با یک مسیر برش ادامه پیدا کند.

گاهی اوقات الگوی برش مدنظر، پیچیدگی‌هایی دارد یا نیاز است که مواد فرسایش‌یافته از سطح تخلیه شوند؛ در این موارد فرآیند می‌تواند کمی پیچیده باشد. این فرآیند در یک حمام الکترولیت پارافینی یا آب دیونیزه (غیر رسانا) انجام می‌شود. این حمام در درجه اول به عنوان خنک کننده و یک نیمه‌هادی عمل می‌کند تا قوس الکتریکی به شکل کنترل‌شده‌ای ایجاد شود، اما همچنین روشی کاربردی برای تخلیه ضایعات است.

دستگاه‌های ماشینکاری وایرکات در ابتدا نوعی اره نواری قوس‌زن یا برش دهنده EDM بودند که برای برش اشکال دوبعدی پیچیده ساخته می‌شدند. با این حال، این فناوری به طور مداوم در حال تکامل است تا جایی که دستگاه‌های وایرکات 5 محوره امروزی می‌توانند عملیات بسیار پیچیده‌ای را انجام دهند.

پیشگام ماشینکاری وایرکات چه کسی است؟

شخصی که مفهوم اصلی ماشینکاری وایرکات را پایه‌گذاری کرد جوزف پریستلی (Joseph Priestley) بود. او اولین کسی بود که مشاهده کرد – در سال 1770- تخلیه الکتریکی روی سطوح فلزی باعث آسیب در نقاط جرقه می‌شود. پریستلی یک دانشمند علوم طبیعی و مشاهده‌گر/آزمایشگر پرکار بود که کشف جداسازی اکسیژن در میان سایر اکتشافاتش، به او نسبت داده می‌شود. در سال 1943، B. R. Lazarenko و N. I. Lazarenko، دو محقق شوروی سابق، به طور اتفاقی به مفهوم ماشینکاری مواد سخت و غیرقابل انعطاف با استفاده از فرسایش جرقه‌ای دست یافتند. مفهوم آن‌ها منجر به توسعه اولین دستگاه‌های EDM شد.

دیگر نام های ماشینکاری وایرکات چیست؟

دیگر نام‌های ماشینکاری تخلیه الکتریکی سیمی (Wire EDM) فرسایش جرقه‌ای(spark erosion)، قوس‌زنی جرقه ای(spark eroding)، فرسایش سیمی(wire erosion)، سیم برش(wire cutting)، سیم سوزی(wire burning)، و دای‌سینکینگ (Die Sinking) هستند.

انواع ماشین‌های وایرکات و کاربردهای آن‌ها

ماشین‌های وایرکات بر اساس تعداد محورهای حرکتی که دارند، به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. هر یک از این انواع، کاربردهای خاص خود را داشته و برای انجام عملیات‌های ماشینکاری مختلفی مناسب هستند. در ادامه به بررسی انواع مختلف وایرکات و کاربردهای آن‌ها می‌پردازیم:

وایرکات دو محور

وایرکات‌های دو محور ساده‌ترین نوع ماشین‌های وایرکات هستند. این ماشین‌ها دارای دو محور حرکت X و Y می‌باشند که به وسیله آن‌ها سیم برش می‌تواند در یک صفحه دو بعدی حرکت کند. از این نوع ماشین‌ها برای برش اشکال ساده و دو بعدی مانند قطعات مسطح، سوراخ‌ها و شیارها استفاده می‌شود. به دلیل سادگی ساختار و قیمت پایین‌تر نسبت به سایر انواع، وایرکات‌های دو محور در بسیاری از کارگاه‌ها و صنایع کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

وایرکات سه محور

وایرکات‌های سه محور علاوه بر دو محور X و Y، دارای محور Z نیز هستند. محور Z به سیم برش اجازه می‌دهد تا در جهت عمودی حرکت کند و به این ترتیب امکان ایجاد اشکال سه‌بعدی ساده را فراهم می‌کند. از این نوع ماشین‌ها برای ساخت قالب‌های ساده، قطعات الکترونیکی و قطعاتی که نیاز به عمق برش دارند، استفاده می‌شود.

وایرکات پنج محور

وایرکات‌های پنج محور پیشرفته‌ترین نوع ماشین‌های وایرکات هستند. این ماشین‌ها علاوه بر سه محور اصلی X، Y و Z، دارای دو محور چرخشی A و B نیز می‌باشند. این محورهای چرخشی به سیم برش اجازه می‌دهند تا در زوایای مختلف حرکت کند و به این ترتیب امکان ایجاد اشکال بسیار پیچیده و سه‌بعدی را فراهم می‌کند. از این نوع ماشین‌ها برای ساخت قالب‌های پیچیده، قطعات هوافضا، پزشکی و قطعاتی که نیاز به دقت بسیار بالا دارند، استفاده می‌شود.

نوع وایرکات	تعداد محور	کاربردها
دو محور	X, Y	برش اشکال ساده دو بعدی، قطعات مسطح، سوراخ‌ها و شیارها
سه محور	X, Y, Z	ساخت قالب‌های ساده، قطعات الکترونیکی، قطعات با عمق برش
پنج محور	X, Y, Z, A, B	ساخت قالب‌های پیچیده، قطعات هوافضا، پزشکی، قطعات با دقت بالا

همانطور که در جدول مشاهده می‌شود، با افزایش تعداد محورها، قابلیت‌ها و پیچیدگی قطعاتی که می‌توان با وایرکات تولید کرد، افزایش می‌یابد. انتخاب نوع وایرکات مناسب به عوامل مختلفی از جمله پیچیدگی قطعه، دقت مورد نیاز، حجم تولید و بودجه بستگی دارد.

در انتخاب وایرکات مناسب، باید به موارد زیر توجه کرد:

• پیچیدگی قطعه: برای قطعات ساده، وایرکات دو یا سه محور کافی است، اما برای قطعات پیچیده، وایرکات پنج محور ضروری است.
• دقت: وایرکات‌های پنج محور به دلیل داشتن محورهای بیشتر، دقت بالاتری دارند.
• حجم تولید: برای تولید انبوه، بهتر است از وایرکات‌های اتوماتیک و با سرعت بالا استفاده شود.
• بودجه: قیمت وایرکات‌های پنج محور بیشتر از وایرکات‌های دو و سه محور است.

با توجه به این عوامل، می‌توان مناسب‌ترین نوع وایرکات را برای هر کاربرد انتخاب کرد.

کاربردهای ماشینکاری وایرکات چیست؟

از وایرکات برای فرآوری مستقیم و یک‌مرحله‌ای مواد سخت، از شکل اولیه تا رسیدن به محصول نهایی، استفاده می‌شود. ماهیت تک‌مرحله‌ای این فرآیند، باعث کاهش هزینه‌ها و بهبود دقت ابزارسازی برای طیف وسیعی از صنایع از جمله قالب اکستروژن، ابزار پرس و ماتریس، هوافضا، تجهیزات پزشکی، خودروسازی و الکترونیک می شود.

این مزیت از توانایی فرآیند برای کار مستقیم با فولادهای ابزار پیش-سخت شده نشأت می‌گیرد. فرآیند سخت‌کاری می‌تواند تنش‌های داخلی جدی و اعوجاج یا عدم دقت را در قطعات ماشینکاری‌شده ایجاد کند. امکان برش مواد پیش-سخت شده، این مشکل را تقریباً به طور کامل برطرف می‌کند. معرفی دستگاه‌های وایرکات 5 محوره CNC، طیف کاربردهایی که این فناوری پوشش می‌دهد را افزایش داده است. درجات آزادی اضافی در طراحی قطعه، ساخت محصولات سه‌بعدی پیچیده را بسیار عملی‌تر می‌کند.

چه نوع سیمی در ماشینکاری وایرکات استفاده می‌شود؟

سیم مورد استفاده در دستگاه وایرکات در گریدها و با کاربردهای مختلفی عرضه می‌شود. مس، برنج، تنگستن، مولیبدن، سیم با روکش (روکش روی و بازپخت نفوذی) و سیم با هسته فولادی از انواع سیم های EDM هستند. سیم به عنوان ابزار برش دستگاه EDM عمل می‌کند. هر نوع سیم به گونه‌ای متفاوت بر فرآیند ماشینکاری تأثیر می‌گذارد.بازپخت نفوذی نوعی عملیات حرارتی است که برای افزایش انعطاف‌پذیری و چقرمگی فلزات، به خصوص فولاد، انجام می‌شود. در این فرآیند، فلز تا دمای مشخصی (معمولاً بین 500 تا 700 درجه سانتی‌گراد) گرم می‌شود و سپس به آرامی در کوره سرد می‌شود.

هر نوع سیمی که استفاده شود، سیم وایرکات فقط یک بار قابل استفاده است و پس از آن فقط ارزش ضایعاتی دارد. مواد طی فرآیند تخلیه الکتریکی خراب می‌شوند. سیم EDM بر اساس وزن و طبقه‌بندی فروخته می‌شود. نحوه مدیریت سیم EDM می‌تواند تفاوت بزرگی بین عملکرد بهینه و فرآیندی ایجاد کند که با مشکلاتی مانند شکستگی سیم، دقت پایین، یا سایر وقفه‌های تولید مواجه است.

منظور از “طبقه‌بندی” دسته‌بندی سیم‌ها بر اساس ویژگی‌های مختلف است. این ویژگی‌ها می‌توانند شامل موارد زیر باشند:

• جنس سیم: سیم‌های EDM معمولاً از جنس مس، برنج، یا مولیبدن هستند. هر کدام از این جنس‌ها مزایا و معایب خاص خود را دارند.
• قطر سیم: قطر سیم EDM بر دقت و سرعت برش تأثیر می‌گذارد. سیم‌های با قطر نازک‌تر برای برش‌های دقیق‌تر و ظریف‌تر مناسب هستند، اما سرعت برش آن‌ها کندتر است.
• نوع روکش: سیم‌های EDM ممکن است با روکش‌های مختلفی مانند قلع یا نیکل پوشیده شوند. این روکش‌ها می‌توانند عمر سیم را افزایش داده و کیفیت برش را بهبود بخشند.
• قابلیت تحمل: سیم‌های EDM در سطوح مختلف قابلیت تحمل (tolerance) تولید می‌شوند. سیم‌های با قابلیت تحمل بالا برای برش‌های دقیق‌تر و ظریف‌تر مناسب هستند.

وایرکات چه نوع موادی را می‌تواند برش دهد؟

وایرکات می‌تواند همه فلزات را برش دهد. به طور ویژه، از این روش برای برش فولادهای قالب پیش‌سخت شده، تیتانیوم، فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی، تنگستن و مولیبدن استفاده می‌شود. اگرچه برش با این روش شدنی است، اما به طور کلی برش مواد نرمی مانند مس، برنز، برنج و فولاد غیر سخت‌شده با ماشینکاری وایرکات مقرون به صرفه نیست. زیرا همه این مواد را می‌توان به راحتی با روش‌های متداول ارزان‌تر ماشینکاری کرد. با این حال، اگر قطعه باید در یک مرحله یا بدون حرارت اضافه تولید شود، EDM تنها گزینه عملی است.

روش برش در وایرکات چیست؟

فرآیند ماشینکاری تخلیه الکتریکی از تخلیه (جرقه) بین یک الکترود ابزار و یک قطعه ماده خام برای برش استفاده می‌کند. انرژی جرقه به صورت گرما در یک نقطه میکروسکوپی با دمای بالای 12000 درجه سانتیگراد پخش می‌شود و باعث بخار شدن هر دو بخش می‌شود. با این حال، از آنجایی که محل تماس بسیار کوچک است، قطعه بخش اعظم این گرما را جذب نمی‌کند. وایرکات با حرکت سیم از طریق ناحیه برش، الکترود را حفظ می‌کند. بنابراین برش همیشه با سیم تازه‌ای انجام می‌شود. سیم در سراسر قطعه‌کار حرکت می‌کند – معمولاً در صفحه X-Y – و مسیری کنترل‌شده با CNC را دنبال می‌کند که با جی کد برنامه‌ریزی شده است.

نحوه عملکرد ماشینکاری وایرکات

مواد فرسایش یافته از هر دو قسمت (معادل براده) و الکترود توسط مایع دی‌الکتریک از ناحیه برش شسته می‌شوند. با فرسایش قطعه‌کار توسط قوس، میز کار قطعه را در امتداد یک مسیر از پیش برنامه‌ریزی‌شده حرکت می‌دهد. این فرآیند دقیق‌ترین و ظریف‌ترین برش را ارائه می‌دهد که با هر نوع تجهیزات CNC قابل دستیابی است. فرآیند ماشینکاری به دنبال حفظ یک فاصله جرقه بسیار کوچک است که قوس در آن ایجاد می‌شود. در هیچ زمانی سیم الکترود نباید با قطعه‌کار تماس داشته باشد.

دقت ماشینکاری وایرکات چقدر است؟

دستگاه‌های رده بالا معمولاً دقت موقعیتی سیم را 40 میلیونیم اینچ (1.016 میکرومتر) (0.000004”) حفظ می‌کنند. دستگاه‌های خاص با دقت بالا می‌توانند دقت 0.000001” (0.254 میکرومتر) را حفظ کنند. معمولاً قطعات برش‌خورده می‌توانند تلورانس‌های 0.0001” (2.54 میکرومتر) یا یک ده‌هزارم اینچ را حفظ کنند.

چه شرکت‌هایی دستگاه‌های وایرکات را تولید می‌کنند؟

تولیدکنندگان تجهیزات CNC، چه متخصص و چه با بودجه محدود، طیف وسیعی از دستگاه‌های وایرکات را تولید می‌کنند. شرکت‌های پیشرو در این زمینه عبارتند از: Agie Charmilles، FANUC، Cincinnati Milacron، Hitachi، Xact Wire EDM Corp، KentUSA و بسیاری از برندهای رده اول دیگر. همچنین بازار بسیار رقابتی برای برندهای ماشین‌های کمتر شناخته‌شده اما بسیار کارآمد وجود دارد. قبل از انتخاب، تحقیقات کاملی راجع به شرکت و دستگاه‌های خاص انجام دهید.

مزایای وایرکات چیست؟

وایرکات دارای خواص قابل توجهی است که آن را به عنوان یک روش پردازش فلز منحصر به فرد می‌کند. مزایای این روش در جدول 1 زیر فهرست شده است:

ویژگی	توضیحات
راندمان تولید	راندمان کلی تولید بالا، زیرا به فرآیندهای بعدی کمی نیاز دارد و کیفیت سطح نهایی به طور مستقیم قابل دستیابی است.
قابلیت برش همه فلزات	قابلیت نامحدود برای پردازش مواد رسانا با هر سختی یا شکنندگی.
دقت بالا	تلورانس‌های بسیار دقیق، با دقت‌های هندسی نزدیک به 10 میلیونیم اینچ و تلورانس‌های عمومی 40 میلیونیم اینچ که رایج هستند.
اعوجاج کم	پردازش بدون اعوجاج – هیچ گرمایش انبوه، پارگی یا شکستگی و ضربه وجود ندارد، بنابراین تنش‌های داخلی و اعوجاج ناشی از پردازش را می‌توان نزدیک به صفر نگه داشت.
ویژگی‌های بسیار ظریف	پیچیدگی هندسی نامحدود در قطعات دوبعدی (و پیچیدگی سه‌بعدی محدود در تولید وایرکات 5 محوره) زیرا سیم به طور نامحدود قابل مانور است و نمی‌تواند نیروی اشتباه را اعمال کند.
کارکرد ایمن	وایرکات علی‌رغم استفاده از ولتاژهای بالا، فرآیندی ایمن است. به همین دلیل، پردازش بدون نظارت در این روش رایج است که به نوبه خود، بدون افزایش خطرات، هزینه‌ها را کاهش می‌دهد.

معایب وایرکات چیست؟

وایرکات برای همه وظایف مناسب نیست. معایب این روش در زیر فهرست شده است:

• وایرکات برای پلاستیک، کامپوزیت و مواد طبیعی مناسب نیست. فقط روی مواد رسانا کار می‌کند.
• برش نسبتاً آهسته انجام می‌شود. این فرآیند کند، هزینه‌های هر قطعه را نسبت به سایر فرآیندهای ماشینکاری (در مقایسه مشابه) بیشتر می‌کند.
• هزینه مواد مصرفی بالا است، زیرا سیم قابل استفاده مجدد نیست.

آیا می‌توان با وایرکات فولاد ضد زنگ را برش داد؟

بله، برش فولاد ضد زنگ با استفاده از وایرکات امکان‌پذیر است. گریدهای آستنیتی فولاد ضد زنگ به دلیل فرآیند کار سرد که در ابتدای تولید آنها انجام می‌شود، برای این روش برش مناسب‌تر هستند.گریدهای آستنیتی فولاد ، به دلیل ساختار کریستالی خود، در برابر کار سرد انعطاف‌پذیرتر هستند. این انعطاف‌پذیری باعث می‌شود که در فرآیند وایرکات، بدون ترک خوردن یا شکستن، به راحتی تغییر شکل داده و برش بخورند.کار سرد فرآیندی است که در آن فلز را در دمای پایین تغییر شکل می‌دهند. این فرآیند باعث افزایش سختی و استحکام فلز می‌شود، اما می‌تواند انعطاف‌پذیری آن را کاهش دهد.

تفاوت بین EDM و وایرکات (Wire EDM) چیست؟

EDM از یک الکترود شکل‌دار ساخته شده از مس یا کربن برای برش حفره‌های سه‌بعدی جزئی و پیچیده استفاده می‌کند. خود الکترودها با فرآیندهای متداول ماشینکاری می‌شوند. در فرآیند برش الکترود جرقه‌ای (EDM) از الکترودهای جرقه‌ای با ارتفاع پالسی استفاده می‌شود. این روش به خنک شدن و شستشوی کامل سطح کار در حین برش کمک می‌کند و به نوبه خود، کیفیت برش را بهبود می‌بخشد و از آسیب به سطح کار جلوگیری می‌کند.منظور از ارتفاع پالسی، فاصله بین الکترود و سطح کار در فرآیند برش الکترود جرقه‌ای (EDM) است. این فاصله به طور منظم و در فواصل زمانی کوتاه تغییر می‌کند.

EDM فقط به اندازه ماشینکاری الکترود دقیق است، اما امکان پیچیدگی قابل توجهی در شکل سطح فرسایش یافته را فراهم می‌کند. این روش برای اشکال پیچیده و دقیق در قالب‌ها و ابزارهای ریخته‌گری دای‌کست استفاده می‌شود. می‌تواند روی مواد پیش‌سخت‌شده کار کند، هزینه‌های کلی را کاهش می‌دهد و سخت‌کاری شدیدتر را بدون اعوجاج ابزار امکان‌پذیر می‌کند. از سوی دیگر، وایرکات از یک الکترود سیمی که به طور مداوم تغذیه می‌شود برای برش 2D استفاده می‌کند. این فرآیند برای پروفایل‌های 2D پیچیده برای ابزارهای اکستروژن، مجموعه‌های پانچ/قالب و همچنین پردازش دقیق مواد سخت برای کاربردهای هوافضا و نظامی ایده‌آل است.

خلاصه

در این فرسته یا پست به بحث در مورد ماشینکاری وایرکات پرداختیم.این مقاله برای اولین بار در سایت بازارگاه الکترونیکی ساخت و تولید ایران به نشانی digimfg.ir منتشر شده است.

منابع

xometry.com/resources/machining/wire-edm-machining

سلب مسئولیت

محتوای ارائه شده در این صفحه وب صرفا جنبه اطلاع رسانی دارد. DIGIMFG هیچگونه ضمانت یا مسئولیتی، چه به صورت صریح یا ضمنی، در خصوص صحت، کامل بودن یا اعتبار اطلاعات بر عهده نمی گیرد. پارامترهای عملکرد، تلرانس های هندسی، ویژگی‌های طراحی خاص، کیفیت یا نوع مواد، یا فرایندها را نباید نمایانگر آنچه توسط تأمین کنندگان یا تولیدکنندگان شخص ثالث در شبکه DIGIMFG ارائه می‌شود، دانست. خریدارانی که به دنبال دریافت قیمت هستند موظفند تا الزامات فنی ویژه موردنیاز برای قطعات را تعریف کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر، لطفاً به شرایط و ضوابط ما مراجعه کنید.