فرایند ماشینکاری EBM

[Marx 1733]

اصول کار:

فرایند ماشین کاری با اشعه الکترونی ebm درحالت کلی به دوگروه تقسیم می شود:

 

1- گروه گرمایی 2- گروه غیرگرمایی

 

درفرایندebm گرمایی سطح کاتد ترمو الکترونیکی تادمای بالایی گرم می شود تا الکترون ها سرعت کافی رابرای گریزازفضای اطراف کاتد بدست اورند.

 

جریان این تعداد زیاد الکترون هامانندیک پرتوالکترونی با قطر کم به سمت آند حرکت می کند درنتیجه قطعه توسط بمباران این الکترون ها دریک محدوده متمرکزتا چنان دمای بالایی گرم می شود که درآن نقطه ذوب و یا تبخیرمی شود.

 

درفرایندنوع دوم یا ebm غیرگرمایی ازیک پرتوالکترونی برای ایجاد واکنش شیمیایی استفاده می شود.

[Marx 1733]

فرایند ماشینکاری با اشعه الکترونی نوع گرمایی :

درطی عملیات ماشینکاری پرتوالکترونی باسرعتی بالا به قطعه کاربرخورد می کند سپس انرژی جنبشی الکترون ها به انرژی گرمایی تبدیل می شود که این گرمای تولید شده باعث ذوب شدن و تبخیر قطعه ها می گردد

 

این فرایند می تواند سوراخ هایی با اشکال مختلف ایجاد کند ولی با این وجود ازآن معمولابرای ایجاد سوراخ های گرد درفلزات سرامیک ها پلاستیک ها وغیره استفاده می کنند.

 

از این فرایند جهت ماشینکاری مواد رسانا و نارسانا نیزاستفاده می شود بطوری که قبل و بعد از شروع ماشین کاری درمحفظه ماشین کاری خلا ایجاد می شود

قطر پرتوالکترونی درروی قطعه کاربایستی به مقدارکمی کوچکترازقطرسوراخ موردنظرباشد.

 

وقتی که پرتو الکترونی به قطعه کار برخورد می کند، ماده ای گرم می شود و سپس ذوب می شود و بخشی از آن تبخیر می شود. در طرف خروجی سوراخ مواد پشت بند مصنوعی یا آلی استفاده می شود. پرتو الکترونی پس از نفوذ کامل در قطعه کار تا اندازه ای در مواد پشت بند کمکی نیز نفوذ می کند. ماده پشت بند تبخیر شده و با فشار زیاد از سوراخ بیرون می اید ، ماده مذاب نیز به همراه ماده پشت بند تبخیر و خارج می شود.

 

برای ایجاد سوراخ های دایره ای پرتو الکترونی به کمک کنترل کامپیوتری در امتداد محیط سوراخی که باید تولید شود حرکت می کند، روش دیگری نیز موجود است که آن عبارت از این است که پرتو می تواند ثابت نگه داشته شود و میز کار در مسیر معینی به کمک دستگاه cnc حرکت کند.

[Marx 1733]

سیستم ماشینکاری با پرتو الکترونی:

سیستم ebm سه جزء مهم دارد که عبارتند از:

 

1- تفنگ پرتو الکترونی

2- سیستم خلاء

3- منبع تغذیه

[Marx 1733]

تفنگ پرتو الکترونی:

 

از تفنگ پرتو الکترونی به منظور تولید پرتو الکترونی و متمرکز نمودن آن در موقعیت از قبل تعیین شده استفاده می شود . تفنگ ebm به روش پالسی یا ضربانی عمل می کند که در آن یک کاتد فوق العاده داغ که از نوع رشته ای تنگستنی می باشد، ابر الکترون ها را تولید می کند.

 

در بعضی مواقع ممکن است کاتد همانند یک قطعه جامد به طور غیر مستقیم توسط تابش منتشر شده از یک رشته فیلامنت گرم شود. در اثر نیروی دافه کاتد ، الکترون ها با شتاب بسیار زیاد به سوی آند که آنها را جذب می کند حرکت می کنند .

 

مهمترین نکته جالب توجه و حیرت انگیز در این روش ماشین کاری این است که:

 

سرعتی که الکترون ها با آن از میان آند عبور می کنند در حدود 66 درصد سرعت نور می باشد که سرعت بسیار زیادی است. در مسیر حرکت الکترون ها نیز یک نوع کلید یا الکترود مولد پالس مورد استفاده قرار می گیرد.

برای شکل دادن پرتو الکترونی به صورت یک پرتو همگرا و متمرکز یک عدسی مغناطیسی مورد استفاده قرار می گیرد. این پرتو از میان یک روزنه متغیر عبور داد همی شودتا قطر پرتو متمرکز با برداشتن الکترون های پراکنده کاهش یابد.

 

عدسی های مغناطیسی به سه منظور مورد استفاده قرار می گیرند که شرح آنها به صورت زیر می باشد:

 

1- برای مشخص نمودن نقطه موقیت پرتو

2- منحرف کردن پرتو

3- تبدیل پرتو به یک پرتوی گرد انعکاس یفته روی قطعه کار

[Marx 1733]

منبع تغذیه:

 

منبع تغذیه برای شتاب دادن به الکترون ها ولتاژی حدود 150KV را تولید می کند.

تفنگ EBM یک سیستم پرقدرت معمولاً با توان 12KW و انرژی هر پالس 120 ژول کار می کند.

شدت توان یا همان توان بر سطح قطعه کار به حدی بالاست که قطعه کار را ذوب و تبخیر می کند. بنابراین اساس برداشت ماده در فرایند ماشینکاری الکترونی پدیده تبخیر می باشد.

 

 

سیستم خلاء و محفظه ماشینکاری:

تولید پرتو الکترونی، حرکت آن در فضا و ونهایتاً انجام ماشینکاری در یک محفظه خلاء صورت می گیرد. استفاده از خلاء مزایای بسیاری در این روش دارد از قبیل:

1- مانع اکسیده شدن سریع رشته گداخته شده می شود.

2- از کاهش نرژی الکترون ها در اثر برخورد با مولکول های هوا جلوگیری می کند.

فشار خلاء در محفظه از یک ده هزارم تا یک صد هزارم torr است.

[Marx 1733]

پارامترهای فرایند:

پارامترهای مهم EBM عبارتند از:

- جریان پرتو

- مدت زمات پالس

- جریان عدسی

- سیگنال های انحراف پرتو

 

مقادیر این پارامترها در EBM به کمک یک کامپیوتر کنترل می شود. جریان پرتو از 100 میکرو آمپر تا یک آمپر متغیر است و انرژی هر پالس رسیده به قطعه کار را کنترل می کند.

 

هر چه قدر انرژی یک پالس بیشتر باشد، سوراخ سریعتر مته کاری می شود. مدت زمان پالس در EBM بسته به عمق و قطر سوراخی که باید مته کاری شود از 50 میکروثانیه تا 10 میلی ثانیه متغیر است.

 

مته کاری با استفاده از مدت زمان پالس طولانی تر منجر به ایجاد سوراخ های پهن تر و عمیق تر می شود. و همچنین HAZ و ضخامت لایه دوباره ذوب شده را که معمولاً در حدود 25هزارم میلی متر یا کمتر از آن است تحت تاثیر قرار می دهد که اندازه این تاثیرات حتی الامکان باید در کمترین مقدار خود باشد.

فاصله کاری یا همان فاصله بین تفنگ پرتو الکترونی و نقطه کانونی و اندازه پرتو متمرکز که منظور قطر آن می باشد توسط جریان عدسی تعیین وشکل سوراخ نسبت به امتداد محورش نیز که می تواند مستقیم ، مخروطی و غیره باشد توسط موقعیت نکته کانونی در زیر سطح بالایی قطعه کار مشخص می شوند.برای به دست آوردن سوراخ هایی به شکل غیر دایره ای حرکت پرتو می تواند برنامه ریزی شود.

 

نرخ برداشت ماده MRR در حالتی که قطعه کار بخار می شود توسط معادله زیر محاسبه می شود:

MRR= η

در این معادله η راندمان برش ، p توان که واحد آن ژول بر ثانیه می باشد و w انرژی ویژه که واحد آن ژول بر سانتی متر مکعب می باشد، فاکتورهای مورد نیاز جهت تبخیر قطعه کار می باشد.

 

انرژی مخصوص w را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

+ +( _ ) +( _ ( W=

 

در این معادله گرمای ویژه، دمای ذوب، دمای اولیه قطعه کار، دمای جوش، دمای نهان ذوب و گرمای نهان تبخیر می باشد. پسوند های s و i به ترتیب حالت های جامد و مایع را نشان می دهند. نیز ثابت در نظر گرفته می شوند، هر چند که با دما تغییر پیدا می کنند. راندمان برش معمولاً زیر 20% است.

[Marx 1733]

ویژگی های فرایند:

این فرایند می تواند هم برای ماشینکاری مواد رسانا و هم مواد نارسانای الکتریسیته مانند نیکل ، مس و آلومینیوم ، سرامیک ها ، چرم ها، پلاستیک ها و غیره به کار برده شود.احتمال مشاهده پلیسه کوچک یا به عبارتی یک لایه منجمد شده باقی مانده بر روی قطعه کار در طرفی که پرتو الکترونی وارد می شود نیز وجود دارد. در حالت کلی عملکرد فرایند ماشین کاری با اشعه الکترونی زیاد تحت تاثیر خصوصیات فیزیکی، مکانیکی و متالوژیکی قطعه کار قرار نمی گیرد.

 

این فرایند می تواند سوراخ هایی با قطر کم حدود 1/0 الی 4/1 میلی متر و عمق زیاد تا 10 میلی متر یا به عبارتی دیگر یک سوراخ با نسبت ابعادی زیاد را ماشینکاری کند.

نرخ متوسط ماشینکاری یا همان نرخ نفوذ را دو فاکتور تعیین می کند که عبارتند از :

 

1- شکل هندسی قطعه کار

2- عمق سوراخی که باید ایجاد شود.

 

علاوه بر این هیچ نیروی مکانیکی روی قطعه کار اعمال نمی شود. از این رو مزیت دیگر ماشینکاری با این روش ، ماشینکاری قطعات ترد یا شکننده نازک و یا با استحکام پایین به راحتی صورت می گیرد. سوراخ های خارج از مرکز یا مایل را همچنین می توان با این فرایند ماشینکاری نمود. در این فرایند هیچ اعوجاجی در اثر نیروهای مکانیکی به وجود نمی آید ولی با این حال شیب حرارتی خیلی زیاد منجر به ایجاد تنش های پسماند حرارتی می شود. محدودیت های دیگر این فرایند عبارتند از:

 

1- هزینه خیلی زیاد تجهیزات آن

2- نیاز به داشتن اپراتور ماهر می باشد.

 

کیفیت لبه های تولید شده توسط خصوصیات حرارتی قطعه کار و انرژی پالس تعیین می شود. منطقه ای متاثر از حرارت haz به دو عامل بستگی دارد:

 

1- قطر سوراخی که باید مته کاری شود.

2- مدت زمان پالس

[Marx 1733]

کاربردهای فرایند ebm

 

ebm بیشتر در صنایعی مانند هوافضا، عایق کاری، صنایع غذایی، شیمیایی، پوشاک و غیره کاربرد دارد.

این فرایند در مواردی که صدها یا هزاران سوراخ با اشکال ساده یا پیچیده در یک قطعه مورد نیاز باشد بسیار مفید است که می توان به سوراخکاری ورق ها اشاره نمود. این فرایند برای سوراخ کاری هزاران سوراخ که در آن قطر سوراخ ها همه کوچکتر از یک میلیمتر می باشند در صفحات خیلی نازک به کار برده می شود.

 

در قسمت های گنبدی شکل محفظه احتراق موتور توربین و همچنین سوراخکری هزاران سوراخ کوچکتر از یک میلی متر در ریسندگی رشته هایی از جنس آلیاژ کوبالت و با ضخامت 5 میلی متر یه کار می رود. گفته می شود که این سوراخکاری صد بار سریعتر از edm است که در نوع خود بسیار حیرت انگیز است. سوراخ های فیلــترها، غربال ها و یا صافی ها در صنایع غذایی نیز توسط این فرایند ایجاد می شوند.

 

کاربرد دیگر ebm همچنین شامل حوزه هایی مانند ساختن سوراخ های ریز عبور گاز در راکتورهای هسته ای فضایی ، سوراخ های قالبهای کشش سیم ، سوراخ های خنک کننده در پره توربین ها ، سوراخ های تنظیم نازل های تزریق کننده موتوهای دیزلی و بسیاری موارد دیگر می باشد.

 

Ebm برای تولید الگو جهت ساختن مدار یکپارچه یا مجتمع نیز به کار گرفته می شود. در ebm توان اشعه، تمرکز ، مدت زمان پالس و حرکت مکانیکی به صورت عددی کنترل می وشد.

 

این روش امکان ماشینکاری اشکال پیچیده و دقیق را با استفاده از سیستم ebm کنترل عددی یا همان cn-ebm فراهم می سازد.