Published in: التحكم الآلي

إزالة المواد بطريقة التفريغ الكهربائي

Author د. عماد الدين قلالة

Published on: 27 يناير، 2024

د. عماد الدين قلالة

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

إزالة المواد بالتفريغ الكهربائي (Electrical Discharge Machining (EDM))، وتسمّى أحياناً عملية الحفر بالشرارة (Spark)، وهي واحدةٌ من طرق إزالة المواد والتشغيل غير التقليدية الأكثر شهرةً واستخداماً، والتي تندرج ضمن عمليات الحصول على الشكل الأولي (Shaping process)، والمُصنّفة ضمن عمليات الإنتاج (Processing operation)، والتي تُعتبر من الأنواع الأساسية لعمليات التصنيع (Manufacturing process).

تستخدم هذه العملية مزيجاً من الطاقة الكهربائية والحرارية، لإزالة جزءٍ من المواد من قطعة العمل للحصول على شكل المنتج المرغوب، وتتمتع هذه العملية بالقدرة على إنتاج منتجاتٍ وأجزاء عالية الدقة، وبأشكال أو تفاصيل معقدة حتى عند تشغيل وحفر المواد القاسية.

على الرغم من أنّ سرعة إزالة المواد بطيئةٌ جداً في عملية التفريغ الكهربائي، إلا أن المنتجات أو الأجزاء المُصنّعة بهذه الطريقة تكون عالية النعومة والدقة، وتحتاج فقط للقليل من عمليات التلميع أو أحياناً قد لا تتطلب أي عملية تلميع.

متى يُستخدَم الحفر بالتفريغ الكهربائي؟

يستخدم المُصنّعون هذه العملية عند:

● صعوبة أو استحالة استخدام طرق التصنيع الأخرى للقيام بعملية الحفر، وإزالة المواد من قطعة عملٍ ما، مثل: حفر الثقوب والتجاويف العميقة، وفتح الشقوق العميقة.

● عند الحاجة إلى إزالة المواد والحفر للأجزاء ذات القساوة العالية.

● الحاجة إلى دقة إنهاءٍ عاليةٍ لسطوح الأجزاء الناتجة.

● عند حفر وتشغيل المواد الضعيفة التي لا تتحمل قوى التشويه، مثلاً: عند تشغيل وحفر المواد ذات السماكات الرقيقة، حيث لا تتطلب هذه العملية تلامساً مباشرًا بين قطعة العمل وأداة القطع، مما يجعلها مناسبةً لحفر هذا النوع من المواد. ^[1]

ما هي مكونات عملية الحفر بالتفريغ الكهربائي؟

المكونات الرئيسية لعملية الحفر باستخدام الشرارة هي السائل العازل، والشرارة الكهربائية، والأقطاب الكهربائية، وقطعة العمل التي يتمُّ تشغيلها، وتتمُّ العملية بتفريغ جهدٍ كهربائي باستخدام أداة تكون إما سلك (Wire) أو أقطاب كهربائية (Electrodes).

يمرُّ التيار الكهربائي من الأداة إلى قطعة العمل، ويتمُّ عزل قطعة العمل عن الأداة بواسطة سائلٍ عازل، يؤدي تفريغ الشرارة عبر الأداة وقطعة العمل إلى تآكل قطعة العمل بأجزاءٍ صغيرةٍ جداً متتالية حتى الوصول إلى الشكل المطلوب، ويتمُّ التآكل بفعل الحرارة العالية الناتجة عن تفريغ الجهد (الشرارة). ^[1]

مبدأ عمل الحفر بالتفريغ الكهربائي

توجد ثلاثة أنواع من عمليات الحفر بالتفريغ الكهربائي، ممكن أن تكون تفاصيل مبدأ عمل هذه الأنواع مختلفة، إلا أن مفهوم المبدأ العام لها هو ذاته. تبدأ مع قطعة العمل التي تمثل أحد أقطاب العملية، ويجب أن تستوفي قطعة العمل شروطًا معينةً حتى تنجح عملية الحفر بالتفريغ الكهربائي، فيجب أن تتمتع قطعة العمل بخاصية التوصيل الكهربائي (أي أن تكون ناقلةً للكهرباء)، والشرط الآخر هو مسك قطعة العمل بشكلٍ صحيح داخل الآلة.

أما بالنسبة للأداة التي تمثل القطب الآخر في العملية تسمّى إلكترود (Electrode)، فهي تقوم بإنتاج الشرارة عندما تقترب من قطعة العمل الناقلة للكهرباء، وتصنّع الأدوات عادةً إما من التنغستين، أو من الجرافيت (الكربون)، أو النحاس. لضمان عدم ملامسة قطب الأداة لقطعة العمل، تستخدم محركات السيرفو لتحريك الآلة أثناء الحفر، وينفذ هذا المحرك مسارات القطع المبرمجة (CNC) للحفاظ على فجوة شرارةٍ مناسبةٍ طوال عملية الحفر.

يجب أن تتمّ العملية برمتها في سائلٍ عازل، ويعدُّ زيت التزليق (Lubricating oil) أو الماء المتأين من الخيارات الأساسية لهذا السائل، فنلاحظ أنه يجب أن يكون الزيت غير ناقلٍ للكهرباء، ويتمثل الدور الرئيسي للسائل العازل في إبعاد القطع المعدنية الصغيرة المقتطعة من قطعة العمل أثناء الحفر. إذا لم تزل هذه القطع من حول العمل، فإنها سوف تلتصق بمادة القطب الكهربائي للأداة (الإلكترود)، مما يُسبّب إتلاف قطب الأداة، وعدم تنفيذ عملية التفريغ الكهربائي.

يجب تأمين مصدر طاقة كهربائية، وبما أن العملية تعتمد على الشحنات الكهربائية، فمن الضروري أيضًا إيجاد طريقةٍ للتحكم في خصائص مصدر الطاقة، تمرُّ الشحنات التي ينتجها مصدر الطاقة عبر قطب الأداة، وتتفاعل مع قطعة العمل، ويمكن إطلاق آلاف الشحنات (تكوين آلاف الشرارات) في أي وقت، مما يؤدي إلى تآكل قطعة العمل. ^[2]

ماذا يحدث أثناء حفر المعادن بطريقة التفريغ الكهربائي؟

في عملية التفريغ الكهربائي، يتسبّب التفريغ الكهربائي بإذابة وتبخير مادة قطعة العمل الناقلة للكهرباء، وتتمُّ الإزالة بمقادير صغيرة ومتكررة حتى يتمّ الوصول إلى الشكل المطلوب، ويتمُّ تنفيذ حوالي عشرة آلاف دورة تفريغ في الثانية الواحدة. يوجد فرق جهدٍ في فجوة الشرارة بين قطب الأداة وقطعة العمل حوالي 200 فولط، ويبدأ انهيار السائل العازل عندما يقترب قطب الأداة (الإلكترود) من قطعة العمل، عند ذلك يحدث انخفاض في الجهد، وارتفاع فجائي وكبير في التيار (يسمّى تيار الذروة).

تؤدي هذه الإجراءات إلى إنشاء قناة بلازما (غازٍ متأيّنٍ ناقلٍ للكهرباء) بين القطب وقطعة العمل، ثم تبدأ قطعة العمل في الذوبان والتبخر. في نهاية دورة التفريغ الكهربائي، يتمُّ إيقاف تشغيل كل من التيار والجهد، ولإزالة الحطام (الجزيئات المُقتطعة) يتدفق السائل العازل بين الأقطاب الكهربائية ثم تعاد الدورة من جديد. ^[2]

ما هي العوامل التي تحدد سرعة إزالة المواد في عملية التفريغ الكهربائي؟

1- مادة قطب الأداة (الإلكترود).

2- زمن التفريغ الكهربائي.

3- قطبية الأداة (الإلكترود).

4- شدة تيار التفريغ. ^[2]

ما هي العوامل التي تحدد جودة ونجاح عملية التفريغ الكهربائي؟

1- تردُّد نبضات التفريغ.

2- فرق جهد الفجوة.

3- تيار الذروة.

4- شكل موجة النبض.

5- نوع السائل العازل المستخدم.  ^[2]