تدقيق لغوي: أ. موانا دبس
يعدُّ الحفر بالتفريغ الكهربائي (EDM) من أحدث تقنيات تشغيل وقطع المعادن، حيث يتمُّ خلق تفريغاتٍ كهربائيةٍ متكررةٍ عالية الجهد (شرارة) ذات تردُّدٍ عالٍ (نبضية) عبر الفجوة بين القطب الكهربائي (الإلكترود)، وقطعة العمل المؤرّضة، مما يؤدي إلى إزالة المواد من قطعة العمل عن طريق التآكل.
يمكن قطع أقسى وأصعب المواد بهذه الطريقة باستخدام تسخينٍ قليلٍ جداً ودون استخدام أية قوىً تقريبًا، لكن بشرط أن تكون المادة المراد قطعها موصلةً للكهرباء، ولا تنتج هذه العملية تشويهاتٍ في شكل المادة أو يكون التشوُّه منخفضاً جدًا، ولا تسبّب أية إجهاداتٍ متبقية إلى قطعة العمل. [1]
ما هي عملية القطع بالتفريغ الكهربائي؟
هي إحدى طرق القطع غير التلامسية، وتستخدم لقطع الأشكال والتجاويف المعقدة غير القابلة لحفر المواد شديدة الصلابة، والتي يصعب حفرها. تغمر قطعة العمل والقطب الكهربائي (الإلكترود) في سائلٍ عازلٍ يكون على الغالب البارافين (Paraffin) أو الكيروسين (kerosene)، حيث تجد الطاقة الكهربائية الكامنة العالية الموجودة في الإلكترود (القطب) طريقًا إلى الأرض من خلال المرور بقطعة العمل.
وتولد كل شرارةٍ ارتفاعًا موضعيًا في درجة الحرارة يصل إلى 12000 درجة مئوية، حيث تعمل درجة الحرارة هذه على إذابة/ تبخير جزءٍ صغيرٍ من قطعة العمل والقطب الكهربائي (تعدُّ إزالة وتنظيف مخلفات القطع أمرًا مهمًا لتجنُّب حدوث دوائر قصر كهربائية غير مرغوب بها).
تنتج عملية الشرارة هذه تسخينًا محدودًا وموضعيًا للغاية، وينتج عن هذا تصنيع آلي خالٍ من الإجهادات الحرارية المتبقية غير المرغوبة، كما أنها تسمح بقطع المقاطع الرفيعة جدًا والدقيقة التي قد لا يمكن حفرها بالآلات الأخرى. لقد أحدثت هذه التقنية ثورةً في العديد من جوانب الصناعة، كما أزالت قيود التصميم التي فرضتها الحاجة إلى أدوات قطع دوارة، مما يسمح بالحصول على أشكال حفر معقدة لا يمكن تحقيقها بأي طريقةٍ أخرى. [2]
ما هي أنواع عملية الحفر بالتفريغ الكهربائي؟
على الرغم من أن المكونات الرئيسية لعملية الحفر باستخدام الشرارة هي السائل العازل، والشرارة الكهربائية، والأقطاب الكهربائية، وقطعة العمل التي يتمُّ تشغيلها، إلا أنه يوجد ثلاثة أنواع أساسية من عمليات الحفر بالتفريغ الكهربائي. يمكن أن تكون تفاصيل عمل هذه الأنواع مختلفة، إلا أن المبدأ العام لها هو ذاته، ويكمن الاختلاف بين هذه الأنواع من طرق التفريغ الكهربائي في تصميم أدوات الأقطاب الكهربائية (الإلكترود).
ابتكر ستارك (Stark)، وهاردينغ (Harding)، وبيفر (Beaver) أول طريقة حفرٍ بالتفريغ الكهربائي، بالتزامن مع لازارينكو (Lazarenko) في الاتحاد السوفييتي، وكانت هي طريقة EDM لحفر الثقوب (Hole-drilling EDM)، وأول تطبيقٍ لها في منتصف الأربعينيات من القرن الماضي، وذلك لإزالة البراغي المكسورة في سبائك الألومنيوم ذات السعر المرتفع.
انطلاقاً من طريقة الحفر هذه البسيطة نسبيًا، تمّ تطوير الفرع الثاني من طرق الحفر بالتشغيل الكهربائي، وهي الحفر بالتفريغ المغمور (الغاطس) (Sinker EDM)، وهي تشابه الطريقة السابقة، إلا أنه يمكن إضافة شكلٍ هندسيٍّ معقد إلى نهاية قطب (إلكترود) الحفر.
النوع الثالث من الحفر بالتفريغ الكهربائي هو القطع بالسلك (Wire -cut EDM)، والذي يستخدم قطب (إلكترود) بشكل سلكٍ للقطع، حيث يتمُّ تغذية السلك ببطءٍ خلال عملية القطع للحفاظ على القطب الكهربائي (الجديد) طوال فترة القطع: [3]
1- الحفر بالسلك (Wire EDM cutting)
تستخدم هذه الطريقة سلكًا معدنياً رفيعاً ناقلاً للكهرباء ملفوفاً على بكرة، وتتمُّ تغذيته بشكلٍ متواصل، يُعتبر السلك أداة القطع (إلكترود القطع)، وتتآكل المواد عن طريق إحداث شرارةٍ بين السلك وقطعة العمل. تمّ تطوير هذه التقنية كطريقةٍ لإجراء عمليات قطعٍ ثنائية الأبعاد (عمليات قطع يمكن أن تتمّ فقط على طول المحورين X و Y مع المحور Z لسماكة المادة). إن طريقة موازنة وتركيب بكرات الأسلاك تجعل القطع بزاوية يمكن التحكم فيها على المحور Z ممكنًا، وقد أصبح من الممكن أيضًا إضافة محور دوران إلى عملية القطع بالسلك.
يتمُّ استخدام هذه الطريقة لصناعة أدوات البثق، وقوالب التثقيب، والاقتطاع للصفائح المعدنية، كما تستخدم لتصنيع بعض أجزاء قوالب حقن البلاستيك التي يصعب تصنيعها بطرق القطع الأخرى. تصنّع مادة السلك (الإلكترود) عادةً من النحاس (Brass)، أو من النحاس المطلي بالزنك (Zinc-coated brass)، أو من الألماس (Diamond)، وتُعتبر خواص الإيصالية الكهربائية، والصلابة، وقوة الشدّ لسلك الإلكترود من أهمّ الخصائص التي تميز جودة سلك القطع.
يتراوح قطر السلك المستخدم في آلات القطع بالسلك بين 0.05 ميلي متر إلى 0.35 ميلي متر، ويتحكم الحاسوب في حركة آلة القطع بالسلك بتقنية التحكم الرقمي المبرمج CNC لقطع قطعة العمل. بالنسبة لنقطة بداية الحفر، فيمكن أن تكون إما حافة قطعة العمل أو بدءاً من ثقبٍ تمّ حفره مسبقاً، ويعتبر المصنّعون للمنتجات الجذابة من الناحية الجمالية أن طريقة القطع بالسلك هي عملية تصنيع فعالة لهذا الغرض.
من إيجابيات طريقة الحفر بالسلك أنها تمكن من حفر الأشكال المعقدة بدرجةٍ عاليةٍ جداً من الدقة، وتنتج سطوحاً عالية النعومة خاليةً من الزوائد، ومن سلبيات طريقة الحفر بالسلك أنها غير مناسبةٍ للقطع ثلاثي الأبعاد، كما أن سرعة إزالة المواد (سرعة القطع) بطيئة نسبيًا. [3]
2- الحفر الغاطس بالشرارة (Sinker Discharge Machining)
تعرف باسم طريقة الحفر بالتفريغ الغاطس أو بالشرارة، وتستخدم قطب كهربائي (إلكترود) ثلاثي الأبعاد، يمكن أن يكون شكله معقداً للحصول على شكلٍ فراغي ثلاثي الأبعاد محفورٍ في قطعة العمل. يتمُّ غمر (تحريك) الإلكترود على المحور Z بشكلٍ متكررٍ لضمان تكرار الشرارة، وإزالة الحطام (نواتج القطع الصغيرة)، وفي عملية التصنيع بالتفريغ الغاطس، يتمُّ أولاً تشكيل أقطاب (إلكترودات) النحاس أو الجرافيت بدقةٍ عاليةٍ للوصول إلى شكل التجويف المراد حفره في قطعة العمل.
ثم يتمُّ استخدام هذا الإلكترود في ماكينة الحفر بالتفريغ الكهربائي الغاطس لحفر قطعة العمل، وتصنّع مواد الإلكترود من التنغستين، أو الجرافيت، أو النحاس. يتمُّ استخدام هذه العملية بشكلٍ أساسي للحصول على حفرٍ وتجاويف عمياء (Under-cut) لا يمكن حفرها بطرق التشغيل الأخرى بسهولة، ويمكن لعمليات التصنيع الأخرى تحقيق ذلك، لكن لا يمكن أن يتمّ ذلك إلا من خلال تقسيم المنتج إلى أجزاء، وهذا يمكن أن يطيل عملية التصنيع، ويزيد من التكاليف بشكلٍ كبير، ويمكن أن يؤثر على دقة التصنيع.
كما تُستخدم هذه الطريقة بشكلٍ كبيرٍ في صناعة قوالب حقن البلاستيك، وفي صناعة قوالب السباكة، ويتمّ استخدام هذه الطريقة لتصنيع تجاويف مفصلةٍ بدقةٍ عالية في القوالب دون التأثير أو الضغط على القالب، أو القطع المحفورة. كما أنها تُقلّل من الحاجة إلى عمليات التشغيل والتلميع اللاحقة التي تستعمل لتحسين نعومة السطح.
من إيجابيات طريقة الحفر الغاطس بالشرارة الدقة العالية، وإمكانية حفر المواد القاسية، ومن سلبيات طريقة الحفر الغاطس بالشرارة أنها عمليةٌ مكلفةٌ نسبياً، كما أن سرعة إزالة المواد (سرعة القطع) بطيئة نسبيًا، وهذا البطء قد يؤدي إلى احتراق القطب الكهربائي، وإعادة تصنيعه عدة مرات.
3- التثقيب العميق بالتفريغ الكهربائي (Hole drilling EDM)
لا يمكن حفر الثقوب (التجاويف) الصغيرة والطويلة (العميقة) والمستقيمة إلا بهذه الطريقة، حيث يتمُّ استخدام قطبٍ كهربائيٍّ مستقيم (إلكترود) لحفر الثقب الذي يمثل انعكاسًا لشكل الإلكترود، ويحافظ على دقة الأبعاد على طول الثقب بالكامل. تسمح هذه الطريقة بحفر ثقوبٍ ذات نسبةٍ عاليةٍ بين عمق الثقب المقطع العرضي للثقب، ويمكن حفر ثقوبٍ يصل عمقها إلى 250 مرة من قطر القطب الكهربائي للأداة (الإلكترود)، ويمكن الحصول على أقطار ثقبٍ صغيرةٍ تصل حتى 0.1 ميلي متر، كما تسمح بالحصول على ثقوبٍ مستقيمةٍ عند أي عمق.
يسمح حفر EDM بحفر كلٍّ من الثقوب العمياء (Under-cut) والثقوب العادية، وتسمح أيضاً بحفر الجدران الملساء في المواد غير القابلة للتشغيل، ولتحقيق أشكالٍ هندسيةٍ دقيقةٍ صعبة وذات حفرٍ عميق. إن دقة الإنهاء للسطوح العالية في هذه الطريقة، ولا توجد حاجة لخطوات تلميعٍ إضافية.
تستخدم طريقة التثقيب العميق بالتفريغ الكهربائي في الصناعات الحيوية، مثل: الصناعة الطبية، وصناعة الطيران، ومن إيجابيات طريقة التثقيب العميق بالتفريغ الكهربائي أنها تناسب عمليات حفر الثقوب المتشابهة والمتكررة بغض النظر عن عدد أو حجم الثقوب، ومن سلبياتها أنها مكلفةٌ نسبياً وبطيئة.
المراجع البحثية
1- Leo, G. (2023, August 11). Electrical Discharge Machining: Process, types, and application. Aria | Online Manufacturing for On-Demand Custom Services. Retrieved February 7, 2024
2- Childerstone, J. (2023, December 12). What is the Electrical Discharge Machining (EDM) process?. Retrieved February 7, 2024
3- Xometry, T. (2022, October 4). 3 Types of EDM machining and their differences. Xometry. Retrieved February 7, 2024
