سنگ زنی الکتروشیمیایی | اصل کار، کاربرد، مزایا و معایب

تکنیک ماشین کاری الکتروشیمیایی (ECM) برای اولین بار در سال 1911 توسط یک شیمیدان روسی به نام شپیتالسکی کشف و روز به روز بهتر شد. تاریخچه سنگ زنی الکتروشیمیایی مشخص نیست زیرا سنگ زنی الکتروشیمیایی (ECG) از انواع ماشینکاری الکتروشیمیایی است.

از این رو می توان گفت که سنگ زنی الکتروشیمیایی  به طور تجربی در حین ECM کشف شد. با این حال، برخی می گویند که سنگ زنی الکتروشیمیایی در دهه 1930 در ایالات متحده رایج شد و سپس در دهه 1950 برای سنگ زنی کاربید مورد استفاده قرار گرفت.

امروزه سنگ زنی الکتروشیمیایی یک فرآیند متداول است که مزایای زیادی نسبت به روش های سنگ زنی سنتی دارد.

سنگ زنی الکتروشیمیایی چیست؟

اصطلاح سنگ زنی به فرآیند ماشین کاری اشاره دارد که در آن مواد اضافه از سطح قطعه کار حذف می شود و عبارت الکتروشیمیایی شبیه حالتی از انرژی است که برای فرآیند ماشین کاری استفاده می شود. سنگ زنی الکتروشیمیایی ترکیبی از فرآیندهای ماشین کاری الکتروشیمیایی و سنگ زنی است.

تفاوت عمده بین ماشین کاری الکتروشیمیایی و سنگ زنی الکتروشیمیایی این است که در سنگ زنی الکتروشیمیایی از چرخ سنگ زنی به جای ابزار برش استفاده می شود. سنگ زنی الکتروشیمیایی زمانی انجام می شود که نیاز به حذف مواد از سطح قطعه کار باشد و و به دلیل سختی قطعه کار، سنگ زنی مکانیکی یا سنتی کار زیادی می طلبد.

از این رو می توان گفت که از ماشینکاری الکتروشیمیایی برای سنگ زنی مواد با سختی بالا (بیشتر از65HRC) استفاده می شود.

سنگ زنی الکتروشیمیایی برعکس آبکاری الکتریکی است. در آن، سطح فلز به اکسید مربوطه تبدیل می شود و سپس توسط چرخ سنگ زنی حذف می شود.

فقط 5-10٪ از مواد توسط چرخ سنگ زنی برداشته می شود، بقیه توسط جریان الکترولیت حذف می شود.

قطعات سنگ زنی الکتروشیمیایی

قطعه کار روی میز کار قرار می گیرد که به عنوان یک پایه صلب عمل می کند. بر روی میز گیره هایی برای محکم بستن قطعه وجود دارد. در زیر میز کار، یک مخزن برای جمع آوری ضایعات  الکترولیت ها قرار دارد. قطعه کار به پایانه مثبت منبع تغذیه متصل می شود و به عنوان آند عمل می کند در حالی که چرخ سنگ زنی به عنوان کاتد عمل می کند. منبع تغذیه چرخ سنگ زنی از طریق غلاف تامین می شود. خط تغذیه از یک مخزن الکترولیت تشکیل شده است. پمپ برای بیرون کشیدن الکترولیت از مخزن استفاده می شود که بعد از آن فیلتر، فشار سنج و دبی سنج (فلومتر) قرار می گیرد. انتهای خط تغذیه برای افزایش فشار به یک نازل متصل است.

قطعات مختلفی که در سنگ زنی الکتروشیمیایی دخیل هستند به شرح زیر است:

• منبع تغذیه DC
• میز کار و گیره
• مخزن الکترولیت
• پمپ
• فیلتر
• گیج فشار و دبی سنج (فلومتر)
• نازل
• غلاف
• چرخ سنگ زنی
• مخزن جمع آوری ضایعات الکتروشیمیایی

1. منبع تغذیه DC

منبع تغذیه DC با ولتاژ پایین و جریان بالا برای تامین انرژی الکتریکی استفاده می شود. برای جلوگیری از تولید گرما و همچنین برای ایمنی، ولتاژ پایین نگه داشته می شود. از سوی دیگر جریان بالا روند کار را سریع تر می کند.

2. میز کار و گیره

برای هر فرآیند ماشین کاری، تهیه یک پایه صلب و محدود کردن تمام درجات آزادی قطعه کار مهم است. میز کار پشتیبانی سفت و سختی را برای قطعه کار فراهم می کند و از گیره ها برای بستن قطعه کار استفاده می شود.

3. مخزن الکترولیت

مخزن الکترولیت مخزنی است که الکترولیت در آن ذخیره می شود. الکترولیت محلول رسانایی است که نقش مهمی در سنگ زنی الکتروشیمیایی دارد. اولین وظیفه الکترولیت تکمیل مدار با ایجاد یک محیط رسانا است.

وظیفه دوم اکسید کردن سطح فلز و انجام ذرات اکسید شده است. الکترولیت ها عموما ترکیبات سدیمی هستند که از پیوندهای الکترووالانسی تشکیل می شوند. انواع مختلفی از الکترولیت ها در سنگ زنی الکتروشیمیایی مانند نیترات سدیم (عموما از آن استفاده می شود)، کربنات، هیدروکسید و کلرید سدیم استفاده می شوند.

4. پمپ

یک پمپ برای حمل الکترولیت از مخزن الکترولیت به نازل استفاده می شود. پمپ مورد استفاده عموما الکتریکی است.

5. فیلتر

الکترولیت از یک فیلتر عبور می کند که در آن همه ناخالصی های ریز فیلتر شده و الکترولیت خالص به دست می آید.

6. فشارسنج و فلومتر

فشارسنج و دبی سنج تجهیزات ایمنی هستند که به ترتیب فشار و جریان الکترولیت را نشان می دهند. اگر هر یک از این مقادیر بیشتر از حد ایمنی شود، اپراتور به سادگی تجهیزات را خاموش می کند.

7. نازل

نازل وسیله ای با سطح مقطع کاهشی است که برای هدایت الکترولیت به موقعیت صحیح استفاده می شود. کاهش سطح به افزایش سرعت الکترولیت کمک کرده و در نتیجه مواد را از قطعه کار حذف می کند.

نازل طوری قرار می گیرد که الکترولیت خارج شده از آن باید با قطعه کار و همچنین چرخ سنگ زنی در تماس باشد.

8. غلاف

یک غلاف برای انتقال انرژی الکتریکی به چرخ سنگ زنی استفاده می شود.

9. چرخ سنگ زنی

چرخ سنگ زنی مهم ترین بخش ماشین سنگ زنی الکتروشیمیایی است. به پایانه منفی منبع تغذیه متصل است و به عنوان کاتد عمل می کند.

چرخ سنگ زنی از مواد عایق مانند الماس و اکسید آلومینیوم ساخته شده است. با چرخش چرخ سنگ زنی جریان الکترولیت افزایش می یابد.

تقریبا هیچ تماسی بین چرخ سنگ زنی با قطعه کار وجود ندارد، بنابراین هیچ سایشی (یا به مقدار بسیار کم) ایجاد نمی شود.

10. مخزن جمع آوری ضایعات الکتروشیمیایی

یک مخزن برای جمع‌آوری تمام الکترولیت‌های استفاده شده وجود دارد که سپس طبق نیاز دور ریخته می‌شود یا دوباره استفاده می‌شود.

سنگ زنی الکتروشیمیایی با جزئیات

قبل از درک کار، باید اصل کار سنگ زنی الکتروشیمیایی را مرور کنیم.

اصل کار سنگ زنی الکتروشیمیایی به این صورت است که وقتی یک سطح فلزی با الکترولیت تحت یک جریان زیاد عمل می کند، سطح فلز اکسید می شود و یک لایه اکسید (لایه خورنده) تشکیل می دهد. این لایه با جریان الکترولیت و چرخش چرخ سنگ زنی برداشته می شود.

اکنون گام به گام آن را بررسی می کنیم:

قطعه کار که قرار است ماشین کاری شود ابتدا روی میز کار قرار می گیرد و سپس با استفاده از گیره ها محکم بسته می شود.

چرخ سنگ زنی در موقعیت مورد نظر قرار می گیرد. یک فاصله بین قطعه کار و چرخ سنگ زنی وجود دارد. این فاصله به طور کلی 0.02 میلی متر است.

اکنون منبع تغذیه روشن می شود. سپس پمپ شروع به کار می کند تا الکترولیت را به موقعیت مورد نظر برساند.

در ابتدا، الکترولیت از فیلتری عبور کرده تا تمام ناخالصی ها فیلتر شوند. سپس از یک گیج فشار عبور می کند تا اپراتور فشار صحیح را بررسی کند.

سپس الکترولیت از یک فلومتر عبور داده می شود که در آنجا جریان بررسی می شود.

الکترولیت پس از عبور از تمام مراحل به نازل می رسد. نازل سرعت الکترولیت را افزایش می دهد و آن را روی قطعه کار می پاشد.

به محض تماس الکترولیت با قطعه کار و چرخ سنگ زنی، مدار کامل شده و منجر به اکسیداسیون سطح فلز می شود. لایه ای از اکسید تشکیل می شود که توسط جریان الکترولیت و ذرات ساینده در چرخ سنگ زنی حذف می گردد. پس از اتمام سنگ زنی، جریان قطع و منبع تغذیه خاموش می شود. سپس قطعه کار جدا شده و الکترولیت باقی مانده از سطح آن پاک می شود.

کاربردهای سنگ زنی الکتروشیمیایی

• برای سنگ زنی پره های توربین استفاده می شود
• در صنایع هوافضا برای سنگ زنی لانه زنبوری
• پرداخت سطوح سخت
• برای ایجاد اجسام تیز
• سنگ زنی اجسام شکننده

مزایا سنگ زنی الکتروشیمیایی

• دقت سنگ زنی الکتروشیمیایی بسیار بالا است. زیرا هیچ تماسی بین ابزار با قطعه کار وجود ندارد.
• این فرآیند هیچ خراشیدگی روی سطح قطعه کار باقی نمی گذارد
• گرمای تولید شده در حین عملیات بسیار کمتر است
• الکترولیت همچنین به عنوان خنک کننده عمل می کند
• هیچ تنش داخلی در قطعه کار ایجاد نمی شود
• مواد سخت را می توان به راحتی سنگ زنی کرد
• هیچ سایشی ایجاد نمی شود یا میزان سایش بسیار کم خواهد بود

معایب سنگ زنی الکتروشیمیایی

• سرعت حذف فلز کم است، حدود 15 میلی متر بر ثانیه
• مصرف برق بسیار زیاد است زیرا هم برای حرکت چرخ سنگ زنی نیاز است و هم برای پمپ
• هزینه اولیه تجهیزات نیز بالاست
• نرخ تولید پایین است
• دفع ضایعات الکترولیت مشکل و برای محیط زیست مضر است
• فضای بزرگ برای راه اندازی مورد نیاز است