ماشین‌ کاری اسپارک چیست؟

یکی از فرایندهای مهم صنعتی، فرآیند اسپارک است که با نام ماشین کاری تخلیه الکتریکی (Electrical Discharge Machining) یا به اختصار ماشین کاری EDM نیز شناخته می‌شود. ماشین کاری تخلیه الکتریکی یا ماشین کاری اسپارک از جدیدترین روش‌های قالب‌سازی صنعتی است که در آن می‌توان با روش تخلیه الکتریکی، براده‌برداری انواع فلزات اعم از فولاد و… را انجام داد. 

در این فرایند، ابزار و قطعه با فاصله، از یکدیگر قرار می‌گیرند و با جریان یافتن گاز میان این دو، جرقه ایجاد می‌شود. این جرقه منجر به انجام فرایند تراش شده و مقداری ماده از هر کدام از اتصالات مورد استفاده برداشته می‌شود. همانطور که می‌دانید، فلزات، استحکام و مقاومت بالایی در برابر گرما دارند و به همین دلیل، مهندسان به دنبال نوع خاصی از ماشین کاری فلزات بودند. در این راستا، مهار جرقه و کنترل انرژی آن به منظور ماشین کاری فلزات مورد استفاده قرار گرفت. 

پس از مهار و کنترل انرژی جرقه برای استفاده در راستای اهدافی مانند ماشین کاری جرقه، نیاز به جرقه‌های کوتاه مدت و با فرکانس بالا افزایش یافت. همچنین در طول زمان، مهندسین متوجه شدند که تخلیه الکتریکی در یک دی‌الکتریک، منجر به متمرکز شدن انرژی در محدوده کوچکی می‌شود. 

فرایند ماشین کاری اسپارک در واقع یک فرایند برش کاری است که به وسیله جرقه‌های متناوب و کنترل‌شده بین الکترود (قطعه مسی) یا سیم در وایرکات و قطعه کار، انجام شده و هیچگونه تماس مستقیمی‌ بین قطعه کار و الکترود برقرار نمی‌شود. این فرایند منجر به جداسازی ذرات از قطعه کار یا همان قالب می‌شود که می‌تواند شامل قالب‌های پلاستیک و قالب‌های دایکاست باشد.

اگر می‌خواهید با این فرایند، ویژگی‌ها و کاربردهایش بیشتر آشنا شوید، مطالعه این مقاله از فبرینو را از دست ندهید. 

اسپارک چگونه کار می‌کند؟

اسپارک یک روش پیچیده برای برش و حکاکی دقیق قطعات فلزی است که با استفاده از تخلیه الکتریکی انجام می‌شود. برای انجام فرآیند اسپارک مراحل مختلفی طی می‌شوند؛ که عبارتند از:

• در ابتدا قطعه مورد نیاز با استفاده از نرم‌افزارهای طراحی سه بعدی، طراحی شده و شکل، ابعاد و ویژگی‌های دقیق قطعه تعیین می‌شوند. 
• پس از آن الکترودهای مورد نیاز انتخاب می‌شوند. الکترودها در عملکرد دستگاه نقش بسیار مهمی‌ را ایفا می‌کنند و به همین دلیل باید متناسب با جنس قطعه و کاربرد مورد نیاز انتخاب شوند. الکترودهای اسپارک غالبا از جنس مس، گرافیت یا فولاد هستند. 
• در این مرحله، تنظیمات دستگاه اسپارک با توجه به نوع ماده و الکترود مورد استفاده، تعیین می‌شود که شامل تنظیم جریان الکتریکی، زمان شروع و پایان پالس‌ها، سرعت الکترود و سایر پارامترهای مهم است. 
• پس از انجام تنظیمات دستگاه، فرایند اسپارک آغاز می‌شود. برای این منظور، ابزار کار به قطر منفی و قطعه کار به قطب مثبت جریان برق متصل می‌شوند. 
• گیره، قطعه کار و قسمتی از ابزار دستگاه در سیالی به نام الکتریک قرار می‌گیرند و از اختلاف پتانسیل ایجاد شده، تخلیه الکتریکی، در فاصله میان ابزار کار و قطعه کار انجام می‌شود. به عبارتی، جرقه‌های اسپارک زده می‌شوند که تعداد آن‌ها قابل تنظیم بوده و در ثانیه متغیر می‌باشد. 
• با هر بار تخلیه الکتریکی، حرارت بالایی تولید می‌شود که به واسطه این حرارت، ذرات بسیار کوچکی از قطعه کار تبخیر یا ذوب می‌شوند. سیال بودن دی الکتریک نیز منجر به زدودن این ذرات از روی قطعه کار خواهد شد. در صورت نیاز، فرایند تخلیه الکتریکی چندین بار، تا رسیدن به شکل مورد نیاز انجام خواهد شد. 

پس از اینکه فرایند ماشین کاری تخلیه الکتریکی انجام شد، در صورت نیاز، قطعه از هرگونه مواد اضافی و یا پوشش‌های آلایشی، در طی فرایندهای مکانیکی یا شیمیایی پاک شده و کیفیت سطح قطعه افزایش می‌یابد. 

در این فرایند، هر جرقه، حرارتی بین 8000 تا 12000 درجه سانتی‌گراد تولید می‌کند. اندازه چاله برداشته‌شده توسط هر جرقه از قطعه کار نیز به میزان انرژی جرقه بستگی داشته و مهم‌ترین عامل تاثیرگذار روی منبع تامین جریان محسوب می‌شود. عمق چاله در فرایند اسپارک نیز غالبا بین چند میکرون تا 1 میلی‌متر متغیر خواهد بود.

دستگاه اسپارک چیست؟

در خطوط تولید ماشین کاری، دستگاه اسپارک از مهم‌ترین و کاربردی‌ترین دستگاه‌ها محسوب می‌شود و در صنایع مختلفی کاربرد دارد. با استفاده از این دستگاه می‌توان قطعات مختلف را ماشین کاری کرده و استحکام آن‌ها را افزایش داد. دستگاه اسپارک همچنین برای تراشکاری و اتصال قطعات به یکدیگر نیز کاربرد دارد. 

در این دستگاه، با تولید جرقه و استفاده از روش تخلیه الکتریکی، می‌توان براده‌برداری فلزات را انجام داد. به اینصورت که در ابتدا قطعه مورد استفاده روی یک صفحه دی الکتریک که غالبا با نفت پوشیده می‌شود، به صورت شناور قرار می‌گیرد. پس از آن مخزن دستگاه با الکترود مناسب هماهنگ شده و به صورت همزمان، گلویی دستگاه، سرو موتور را تحریک کرده و حرکت دستگاه شروع می‌شود. در ادامه، الکترود قطب منفی به قطعه که قطب مثبت است نزدیک می‌شود. منبع الکتریکی نیز غالبا در سمت قطعه و در قطب مثبت دستگاه قرار می‌گیرد. 

پس از پایین رفتن سرو موتور تا محدوده تعیین شده، ماشین کاری الکتریکی آغاز شده و به این وسیله ذراتی از قطعه جدا می‌شوند. پس از اتمام براده برداری قطعه، قطعه شستشو داده شده و ذرات باقیمانده از روی آن پاک می‌شوند. در صورت نیاز، براده‌بردای قطعه تکرار می‌شود تا جایی که قطعه به شکل مورد نیاز ایجاد شود. 

کاربرد این دستگاه غالبا در قالب سازی صنعتی و صنایع فلزی است. به عبارتی، دستگاه ماشین کاری اسپارک در صنایعی که در آن‌ها از آلیاژهای سخت و مقاوم استفاده می‌شود، بسیار کاربرد دارد. نرخ ماشین کاری در این دستگاه به سختی قطعه کار وابسته نیست و با نقطه ذوب قطعه در ارتباط است. در اینصورت موادی که قابلیت ماشین کاری کمی‌ دارند، مانند کاربیت‌های سمانته و فولادهای ابزاری آبکاری شده را می‌توان به سادگی و بدون ایجاد پلیسه با این دستگاه‌ها ماشین کاری کرد. 

همچنین این دستگاه برای ماشین کاری اشکال پیچیده، ایجاد دیواره‌های نازک و اشکال ظریف، ایجاد فرورفتگی‌ها و یا برآمدگی‌های نامتقارن و ماشین کاری فلزات سخت نیز کاربرد دارد.

دستگاه‌های اسپارک از چه اجزا و قسمت‌هایی تشکیل شده است؟

دستگاه اسپارک از اجزا و قسمت‌های مختلفی تشکیل شده است؛ اما این دستگاه شامل دو جزء اصلی الکترود و محیط دی الکتریک است. 

• الکترود: در دستگاه اسپارک از این جزء به عنوان ابزار برش استفاده می‌شود. الکترود غالبا از جنس موادی مانند مس، فولاد ضد زنگ، گرافیت یا تیتانیوم است که در نزدیکی قطعه قرار گرفته و از طریق فرایند تخلیه الکتریکی، جریان الکتریکی را به قطعه منتقل می‌کند. 
• محیط دی الکتریک: یکی از بخش‌های اصلی اسپارک، محیط دی الکتریک بین الکترود و قطعه کار است. این محیط غالبا از یک ماده الکتریک اعم از روغن، روغن معدنی، آب یا سایر مواد خاص تشکیل می‌شود. از این محیط جریان الکتریکی عبور کرده و به صورت همزمان، تخلیه الکتریکی تحریک می‌شود. در اینصورت، برش یا حکاکی قطعه انجام خواهد شد. 

همانطور که گفته شد، دستگاه اسپارک بر اساس تخلیه الکتریکی عمل می‌کند و هنگام قرار گرفتن الکترود و قطعه کار در یک محیط دی الکتریک، با اعمال جریان الکتریکی، تخلیه الکتریکی انجام می‌شود. در نتیجه این تخلیه، بخشی از ماده قطعه کار بریده شده و با کنترل دقیق جریان الکتریکی و حرکت الکترود، برش دقیق و حکاکی مورد نیاز روی قطعه انجام می‌شود. در واقع، علاو بر مواد سخت و غیرقابل برش به روش‌های سنتی، مانند فولاد، از این دستگاه برای برشکاری قطعات پیچیده و دقیق نیز می‌توان استفاده کرد. 

سایر اجزاء مهم دستگاه اسپارک عبارتند از:

• برق رسان (Power Supply): این جزء از دستگاه که به عنوان منبع برق اسپارک شناخته می‌شود، جریان الکتریکی لازم بین الکترود و قطعه کار را فراهم کرده و قدرت و تنظیمات مورد نیاز برای ایجاد میدان الکتریکی را ایجاد می‌کند. 
• الکترودها (Electrodes): علاوه بر الکترود ابزار برش در این دستگاه از الکترود قطعه کار نیز استفاده می‌شود. این الکترود به قطعه فلزی مورد استفاده برای برش، متصل شده و الکترود ابزار برش نیز به عنوان برش این قطعه عمل می‌کند. الکترودها معمولا از موادی مانند مس یا گرافیت ساخته می‌شوند. 
• غلاطه (Dielectric): این جزء در دستگاه اسپارک به عنوان ماده میانی بین الکترودها و قطعه کار استفاده شده و باعث تثبیت الکترودها و انتقال جریان الکتریکی می‌شود. غلاطه غالبا نوعی مایع خاص است که می‌توان به طور مداوم تغییر کرده و حرارت تولید شده در فرایند اسپارک را تخلیه کند. 
• سیستم کنترل (Control System): این سیستم که شامل کنترلرها، سنسورها و نرم افزارهای مربوط به برنامه ریزی و کنترل عملیات برش می‌باشد، در دستگاه اسپارک مسئول کنترل عملکرد دستگاه است. کنترل دستگاه با استفاده از این سیستم بر اساس طرح و برنامه پیش فرض انجام می‌شود. 
• سیستم خنک‌کننده (Cooling System): از سیستم خنک‌کننده در فرایند اسپارک برای تخلیه مداوم حرارت زیاد تولید شده، استفاده می‌شود. این سیستم با استفاده از مایعات خنک‌کننده مانند آب یا روغن، حرارت تولیدی را جذب کرده و آن را از دستگاه تخلیه می‌کند.
• قطعه کار: این قطعه همان قطعه مورد استفاده است که روی آن فرایند اسپارک انجام می‌شود. برای انجام فرایند اسپارک، قطعه کار به طور ثابت روی میز دستگاه نصب می‌شود. 

این قطعات از اصلی‌ترین و مهم‌ترین اجزای دستگاه اسپارک محسوب می‌شوند که در عملکرد آن نقش موثری دارند. همچنین دستگاه اسپارک می‌تواند شامل قطعات و مجموعه‌های دیگری نیز باشد که غالبا برای عملکرد بهینه دستگاه مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع دستگاه اسپارک چیست؟

ماشین‌های تخلیه الکتریکی یا همان دستگاه‌های اسپارک، سه نوع مختلف را شامل می‌شوند؛ که عبارتند از:

• دستگاه اسپارک مته ای (Sinker EDM)

دستگاه‌های اسپارک مته‌ای که با نام دستگاه اسپارک رم (Ram EDM) نیز شناخته می‌شوند ماشین کاری تخلیه الکتریکی را به صورت سنتی انجام می‌دهند. به اینصورت که قطعه‌ای از جنس مس یا گرافیت، به صورت مداوم به قطعه کار نزدیک شده و از آن دور می‌شود. در این میان با ایجاد جرقه باعث جدا شدن ذرات بسیار ریز از سطح قطعه کار می‌شود. 

با استفاده از این دستگاه می‌توان اشکالی متنوع و پیچیده را تولید کرد. الکترود مورد استفاده در این دستگاه نیز از قبل به شکل مورد نظر ساخته شده و بعد در داخل ماده قرار می‌گیرد. 

• دستگاه اسپارک وایرکات (Wire Cutting EDM)

در دستگاه اسپارک وایرکات برای ماشین کاری تخلیه الکتریکی، از سیم‌های نازک با متراژ بالا که غالبا از جنس برنج تشکیل شده‌اند، استفاده می‌شود. در واقع، در این دستگاه، سیم به عنوان الکترود مورد استفاده قرار گرفته و بدون تماس با قطعه برشکاری فلزات انجام می‌شود. 

دستگاه اسپارک وایرکات غالبا برای برش فلزات تا قطر 30 سانتی‌متر کاربرد دارد و با استفاده از آن می‌توان قطعاتی با مواد سخت را تولید کرد. وایرکات همچنین یکی از روش‌های دقیق ماشین کاری تخلیه الکتریکی محسوب می‌شود که کاربرد بسیاری دارد و با استفاده از آن، قطعه فلزی بدون تماس، بدون فشار و عملیات اضافی برش داده می‌شود. 

• دستگاه اسپارک سوراخ کاری یا سوپر دریل (Hole Drilling EDM)

این دستگاه‌ها نوع خاصی از دستگاه‌های اسپارک هستند که برای ایجاد سوراخ‌های بسیار ریز و دقیق در قطعات فلزی کاربرد دارند. در واقع کاربرد اصلی این دستگاه، حفاری و سوراخ کاری است که می‌تواند در مقایسه با روش‌های متداول حفاری، سوراخ‌های کوچک و عمیقی ایجاد کند. 

الکترودهای مورد استفاده در دستگاه اسپارک سوپر دریل لوله مانند هستند که مایع دی الکتریک از این الکترودها تغذیه می‌کند.

هر یک از انواع دستگاه‌های اسپارک، ویژگی‌های خاص خود را داشته و در کاربردهای مخصوص به خود مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حال حاضر، با رعایت پارامترهایی مانند کنترل انرژی جرقه، کوتاه کردن زمان جرقه و افزایش فرکانس آن، امکان ماشین کاری تخلیه الکتریکی برای فلزات با استفاده از دستگاه‌های اسپارک به سادگی فراهم می‌شود. 

اسپارک  چه کاربردهایی دارد و به چه منظور استفاده می‌شود؟

همانطور که در بالاتر نیز اشاره شد، دستگاه اسپارک، در صنعت تولید قطعات فلزی و ساخت قالب‌های پیچیده صنعتی بسیار کاربرد داشته و با استفاده از آن، امکان تولید انواع قطعات با دقت و پیچیدگی بالا فراهم می‌شود. برخی از مهم‌ترین قطعاتی که با استفاده از این دستگاه ساخته می‌شوند، عبارتند از:

• قالب‌های تزریق پلاستیک، قالب‌های پلاستیکی و قطعات پلاستیکی مختلف مانند قطعات خودرو، لوازم خانگی، محصولات الکترونیکی و…
• قطعات ابزار دقیق مانند ماتریس‌ها، قالب‌های برش، قالب‌های حفاری، قالب‌های تراش و…
• قطعات هواپیما و هوافضا مانند توربین‌ها، قطعات موتورها، سیستم‌های جت و قطعات ساختاری هواپیماها و ماهواره‌ها
• قطعات صنعتی مانند قطعات خودرو، قطعات ماشین‌آلات صنعتی، قطعات الکترونیکی، قطعات پزشکی و…

از این دستگاه همچنین می‌توان برای تعمیر و بازسازی قطعاتی که نیاز به تغییر شکل یا تصحیح سطح دارند نیز استفاده کرد. 

به عبارتی، از دستگاه اسپارک می‌توان برای تولید انواع قطعات فلزی با اندازه‌ها، ابعاد، اشکال و پیچیدگی‌های مختلف در صنایع مختلف، با کیفیت بالا و با قابلیت برش و حکاکی به طور دقیق استفاده کرد. برخی از مهم‌ترین صنایعی که استفاده از دستگاه اسپارک در آن‌ها رایج‌تر است، عبارتند از:

• صنعت قالب سازی: برای تولید قالب‌های پیچیده و دقیق صنایع مختلف مانند قالب‌های صنایع خودروسازی، پلاستیک و فلزات برای تولید قطعات فلزی یا پلاستیکی
• صنعت هوافضا: برای تولید قطعات با دقت بالا و کیفیت برش بالا و تولید قطعات حساس این صنعت مانند موتورهای هواپیما و قطعات موجود در موشک‌ها
• صنعت الکترونیک: برای تولید انواع قطعات بخصوص قطعات بسیار کوچک و دقیق این صنعت مانند قطعات میکرو الکترونیکی، سنسورها و سایر قطعات دقیق الکترونیکی
• صنعت طلا و جواهرسازی: برای برش و حکاکی دقیق در ساخت جواهرات و قطعات طلا و ایجاد الگوها، طرح‌ها وحکاکی‌های موردنیاز روی قطعات این صنعت
• صنعت پزشکی: برای تولید قطعات، ابزارها و تجهیزات پزشکی بخصوص قطعات دقیق و پیچیده این صنعت مانند ابزارهای جراحی، ایمپلنت‌ها و سایر قطعات دقیق پزشکی 
• صنایع معدنی: برای حفاری چاه، تونل و…
• صنعت خودروسازی: برای تولید یا ایجاد سوراخ‌ها و شکل دادن قطعات دقیق و پیچیده خودرو مانند دیزل‌ها، سیلندرها، قطعات داخلی، قطعات انتقال نیرو، قطعات جانبی و قطعات موتور

کاربرد گسترده این دستگاه در صنایع مختلف برای تولید قطعات با شکل‌های متنوع و پیچیده کاملا با دقت و سرعت بالای ماشین کاری تخلیه الکتریکی اسپارک مرتبط است که در کنار آن این روش، منجر به تولید قطعاتی با کیفیت بالا در مدت زمان کوتاه‌تری نسبت به سایر روش‌های ماشین کاری سنتی می‌شود. 

مزایا و معایب استفاده از اسپارک 

فرایند اسپارک یا ماشین کاری تخلیه الکتریکی در عملیات ماشین کاری کاملا موثر واقع شده است تا جایی که امروزه این فرایند به عنوان یکی از فرایندهای اصلی ماشین کاری و برش قطعات فلزی محسوب می‌شود. این فرایند ویژگی‌های مختلفی دارند که از جمله مهم‌ترین مزایای آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• اسپارک دقت بالایی را شامل می‌شود و در ایجاد سطوح بسیار صاف و دقیق به طور موثری عمل می‌کند. 
• قابلیت پردازش مواد سخت اعم از تیتانیوم و کاربیدها، با استفاده از اسپارک به سادگی فراهم می‌شود. 
• این فرایند تنها مقدار کمی‌ از مواد را حذف می‌کند و با دقت بسیار بالایی که دارد منجر به برش‌های غیر ضروری نخواهد شد. 
• با استفاده از اسپارک امکان پردازش شکل‌ها و جزئیات پیچیده در قطعات مختلف فراهم شده و در زمینه تولید قطعات با ساختارهای دقیق و پیچیده بسیار موثر عمل می‌کند. 
• اسپارک همچنین به دلیل عدم تماس بین الکترود و قطعه در فرایند تخلیه الکتریکی، تنش‌ها را به طور موثری کاهش داده و از تغییر شکل‌های غیر مطلوب احتمالی جلوگیری می‌کند. 
• همچنین به دلیل عدم وجود تماس بین قالب و الکترود، ایجاد دیواره‌های نازک و اشکال ظریف نیز توسط این فرایند فراهم می‌شود. 
• پایداری بالا در کنار بهبود دقت و قابلیت پردازش مواد مختلف، از دیگر مزایای این فرایند است که به طور مستقیم روی کیفیت و عملکرد و قطعات تولید شده موثر می‌باشد. 
• نرخ ماشین کاری اسپارک به سختی قطعه کار وابسته نیست و متناسب با نقطه ذوب قطعه کار است. در اینصورت، امکان ماشین کاری موادی که قابلیت ماشین کاری کمی‌ دارند، مانند کاربیت‌های سمانته و فولادهای ابزار آبکاری شده، توسط اسپارک به سادگی فراهم می‌شود. 

تمامی‌ این موارد، از جمله مزایای مهم ماشین کاری تخلیه الکتریکی اسپارک محسوب می‌شوند. اما در کنار آن‌ها این فرایند یک‌سری محدودیت‌ها و معایب را نیز شامل می‌شود. به عنوان مثال، به دلیل استفاده از مواد نفتی در این روش به عنوان مایع دی الکتریک، اسپارک، آلودگی محیط زیست را به همراه خواهد داشت. همچنین قیمت بالای این روش نسبت به روش‌های سنتی، سرعت پایین ماشین کاری و نیاز به مهارت بالا برای انجام فرایند اسپارک، از دیگر محدودیت‌های ماشین کاری تخلیه الکتریکی با این روش محسوب می‌شوند.

اما در هر صورت می‌توان گفت که مزایای اسپارک از معایب آن بسیار گسترده‌تر است که امروزه، همین مسئله منجر به کاربرد گسترده اسپارک به عنوان یک فرایند پیشرفته و مدرن شده است. 

سوالات متداول

جمع بندی

امروز فرایند اسپارک یا ماشین کاری تخلیه الکتریکی EDM از روش‌های مدرن و پیشرفته ماشین کاری در صنایع مختلف محسوب می‌شود که بر پایه اصول تخلیه الکتریکی برای ایجاد برخورد بین الکترود و قطعه کار استوار است. از این فرایند معمولا برای ماشین کاری فلزات و مواد سخت استفاده  می‌شود که با استفاده از سایر روش‌های مکانیکی به سختی قابلیت برش‌دهی دارند. 

فرایند اسپارک همچنین دقت بسیار بالایی را شامل می‌شود و قابلیت تولید قطعات با شکل‌های پیچیده و با کیفیت بالا را به سادگی فراهم می‌کند. به همین دلیل، کاربرد آن در صنایع مختلف بسیار گسترده بوده و امروزه به عنوان یکی از رایج‌ترین و مهم‌ترین فرایندهای ماشین کاری صنعتی شناخته می‌شود.