ماشینکاری الکتروشیمیایی ((Electrochemical machining (ECM) که گاهی اوقات با نام برشکاری کاتدی نیز از آن یاد می‌شود، یکی از روش‌های اخیر ماشین کاری با توانایی بالا برای استفاده می‌باشد. پایه و اساس این فرایند جدید نیست، اما کاربرد فرآیند بعنوان یک ابزار فلزکاری نوین شناخته می‌شود. گسترش وسیع این فرآیند را می‌توان در راستای نیاز به ماشین کاری مواد سفت و سخت مانند تیتانیوم، افزایش یافتن هزینهی تلاش و کوشش دستی و نیاز به پیکربندی‌های ماشین کاری، فراتر از توانایی ماشین کاری مرسوم جستجو کرد.
ماشین کاری الکتروشیمیایی که اساسا مدیون آزمایش‌ها و کشفیات مایکل فارادی می‌باشد فرآیند نوینی می‌باشد که بیشتر پیشرفت خود را در ۷۰ سال اخیر داشته است. در سال ۱۹۲۹ نمونه آزمایشگاهی از این دستگاه ساخته شد. از سال‌های ۱۹۷۰ تا ۱۹۸۰ تحقیقات زیادی در این زمینه انجام شد. اما هم زمانی با تحقیق و توسعه در زمینه ماشین کاری تخلیه الکتریکی(EDM) باعث کندی روند پیشرفت در زمینه ماشین کاری الکتروشیمیایی شد.
محرک اصلی برای پیشرفت اساسی این فرآیند از نیاز صنعت هواپیمایی نشأت گرفته است. به طوری که صنایع هوایی نیازمند ماشین کاری فلزات و آلیاژهای سخت با ایجاد کم‌ترین عیوب ناشی از ماشین کاری برای افزایش ایمنی و کارایی، بوده و هست. ساخت پره‌های توربین گازی و قطعات پیچیده‌ای که ماشین کاری آنها به روش‌های سنتی و مرسوم دشوار بوده است نیز، از اولین کاربرد‌های ماشین کاری الکتروشیمیایی می‌باشد. در بیست سال اخیر کاربرد‌های این فرایند در صنایع مختلف مانند اتومبیل سازی ، پتروشیمی و نفت ، مهندسی و تجهیزات پزشکی، ساخت اعضای مصنوعی، ساخت سکه و جواهرات و البته هوافضا در حال افزایش است. اما با توجه به فعالیت‌های شرکت‌های هواپیما سازی مانند ایرباس و بویینگ برای افزایش تولید و کیفیت، توسعه این تکنولوژی کماکان وابسته به صنعت هواپیمایی می‌باشد.
بررسی فرآیند: ماشین کاری الکتروشیمیایی فرآیندی برعکس فرآیند آبکاری می‌باشد. در آبکاری سطح فلزی با فلزی دیگر پوشانده می‌شود و قطعه به عنوان کاتد در سلول الکترولیتی استفاده می‌شود. اما در این فرآیند از سطح فلز کاسته می‌شود و قطعه کار به عنوان آند در دستگاه استفاده می‌شود. این فرآیند از لحاظ استفاده از جریان الکتریکی زیادی که از الکترود به سمت قطعه کار به واسطه محلول الکترولیت روانه می‌شود، شباهت‌های زیادی با ماشین کاری تخلیه الکتریکی (EDM) دارد. در این فرآیند قطعه رسانا که باید ماشین کاری شود به عنوان آند استفاده می‌شود و ابزار رسانا که داری مکمل شکل مورد نظر است به عنوان کاتد استفاده می‌شود. فلز آند در
الکترولیت (NaNO3 یا NaCl, KCl) حل می‌شود( به صورت یون مثبت) و در اطراف آند بدون خورده شدن کاتد(ابزار) گاز هیدروژن تشکیل می‌شود. در واقع ماشین کاری الکتروشیمیایی از نوع فرآیند‌های انحلال آندی می‌باشد. بنابراین دو نکته مهمی که در اینجا باید به آنها اشاره شود عبارتند از :
۱- از آنجایی که آند (قطعه کار) به صورت الکتروشیمیایی حل می‌شود، سرعت انحلال(ماشینکاری) به جرم اتمی، بار یونی و جریان الکتریکی بستگی دارد. سرعت ماشین کاری به هیچ وجه به سختی فلز یا خواص دیگر آن بستگی ندارد.
۲- از آنجایی که در کاتد گاز هیدروژن تشکیل می‌شود، شکل و اندازه کاتد (ابزار) در طی کار به هیچ عنوان تغییر نمی‌کند. این یکی از ویژگی‌های مهم ماشین کاری الکتروشیمیایی می‌باشد.
در ماشین کاری الکتروشیمیایی، الکترولیت به عنوان رسانای الکتریسیته عمل می‌کند و قانون اهم بر آن صادق است. مقاومت محلول الکترولیت حدود ۱۰۰ اهم می‌باشد. در این فرآیند باید از گرفتگی و انباشتگی در فاصله اندک بین ابزار و قطعه، ( کاتد و آند) که ناشی از فرآورده‌های گازی و فلزی می‌باشد جلوگیری شود. چرا که اگر این فاصلهی بسیار کوچک دچار گرفتگی شود بین دو الکترود اتصال برقرار خواهد شد. به منظور جلوگیری از گرفتگی در فاصله بین الکترودها از یک پمپ برای به گردش درآوردن محلول الکترولیت استفاده می‌شود. گردش اجباری محلول الکترولیت همچنین اثرات ناشی از گرم شدن الکترولیت بر رسانایی محلول را کاهش می‌دهد. در واقع سرعت گردش محلول الکترولیت به گونه‌ای تعیین می‌شود که به شرایط پایدار برسیم.
اجزای دستگاه:
ابزار
جنس: باید دارای قابلیت ماشین کاری، استحکام مناسب، تحمل بالا در برابر خوردگی و هدایت اکتریکی و حرارتی متوسط باشد. ابزار‌های ماشین کاری الکتروشیمیایی معمولا از جنس مس، برنج و فولاد ضد زنگ ۳۱۶ می‌باشند. از کربن به علت مقاومت پایین در برابر خوردگی استفاده نمی‌شود.
طراحی: طراحی ابزار باید به گونه‌ای باشد تا با انتقال حرارت مناسب مانع از جوشش و گرم شدن بیش از حد الکترولیت شود. همچنین برای دستیابی به پرداخت سطحی با کیفیت و یکنواخت، طراحی باید به گونه‌ای باشد که جریان الکترولیت میان فاصله بین ابزار و قطعه کار آرام و بدون گردابه و اغتشاش باشد.
قطعه کار
محدودیتی در قطعه کار وجود ندارد. در این روش سفت و سختی قطعه اهمیت ندارد. تنها محدودیت شرط رسانا بودن و شرایط شیمیایی برای انجام واکنش در آند است.
الکترولیت
الکترولیت مناسب دارای خواص زیر می‌باشد:
- رسانایی الکتریکی بالا برای اطمینان از شدت جریان مناسب
- گرانروی پایین برای اطمینان از جریان آن در فاصله فوق العاده کوچک بین قطعه کار و ابزار
- رسانایی حرارتی بالا
- مقاوم در برابر شکل گیری فیلم خنثی روی قطعه کار
- غیر سمی و غیر خورنده بودن برای اجزای دستگاه
- قیمت مناسب و قابل دسترس بودن
الکترولیت در تعیین دقت ابعادی بسیار موثر است. با توجه به ویژگی‌های ذکر شده الکترولیت سدیم نیترات (NaNO3 ) ترجیح داده می‌شود.
بررسی مکانیزم: قطعه کار و ابزار به ترتیب به عنوان آند و کاتد یک سلول الکترولیتی تحت اختلاف پتانسیلی که بین ۵ الی ۳۰ ولت می‌باشد، قرار می‌گیرند. الکترولیت مناسب، به عنوان مثال سدیم کلرید، بر این اساس انتخاب می‌شود که اولا کاتد در این فرآیند بدون تغییر باقی بماند، ثانیا، مدار الکتریکی را با توجه به خواص شیمیایی قطعه کار، کامل کند.
الکترولیت معمولا با دمای ۹۰ الی ۱۱۰ درجه سانتی گراد، فشار ۱۰ تا ۲۰ اتمسفر و سرعت ۳ تا ۳۰ متر بر ثانیه از فاصله میان کاتد و آند پمپ می‌شود. سرعت ماشین کاری شدن قطعه کار تقریبا با فاصله آن با ابزار (کاتد) رابطه عکس دارد. در طی فرآیند ماشین کاری هم زمان با حرکت کاتد، مثلا با سرعت ۰٫۰۲ میلیمتر بر ثانیه، به سمت آند، فاصله بین آند و کاتد به سمت مقداری پایدار و ثابت میل می‌کند. این فاصله معمولا حدود ۰٫۴ میلیمتر می‌باشد. به این ترتیب آند شکل مکمل کاتد را به خود خواهد گرفت.
نمونه‌های صنعتی ماشین کاری الکتروشیمیایی در نوع افقی و عمودی طبق اصول گفته شده کار می‌کنند. میز ماشین کاری کاملا محکم و ثابت می‌باشد و حرکت کاتد توسط موتور کاملا کنترل شده تا فاصله میان ابزار و قطعه کار که بسیار مهم است، ثابت و مناسب باشد. الکترولیت در گردش باید فیلتر شود تا فراورده‌های ماشین کاری خارج شوند.
در این فرآیند معمولا ولتاژ مورد نیاز کم و جریان زیاد می‌باشد. ولتاژی که توسط مولد DC تامین می‌شود بین ۵ تا ۳۰ ولت می‌باشد. جریانی که باید از الکترولیت بگذرد بستگی به ابعاد قطعه کار دارد. به طوری که معمولا برای ۱ میلیمتر، جریانی بین ۰٫۱ الی ۵ آمپر، با توجه به سرعت ماشین کاری مورد نظر، باید تامین شود. بنابراین به طور مثال با جریان ۴ آمپر در هر میلیمتر مربع، برای ماشین کاری قطعه‌ای با ابعاد ۱۰۰۰۰ میلیمتر مربع، ۴۰۰۰۰۰ آمپر جریان نیاز داریم که این جریان خنک کاری زیادی را مطلبد.
مزایا:
یکی از توانمندی‌های برتر این روش ماشین کاری سطح‌های هندسی پیچیده سه بعدی می‌باشد. به گونه‌ای که اثر ابزار برش بر روی قطعه کار باقی نمی‌ماند. عمر زیاد ابزار کار از ویژگی‌های بارز این روش می‌باشد، به طوری که می‌توان قطعات زیادی را تنها با یک سری قالب ساخت. ماشین کاری فلزات و آلیاژها، بدون توجه به مقاومت و سختی آنها، از دیگر توانایی‌های این روش است. هر چند این توانایی‌ها را می‌توان مشترک با روش ماشین کاری تخلیه الکتریکی (EDM) دانست اما سطح ماشین کاری شده عاری از تنش و دارای پرداخت بسیار با کیفیت است(۵ میکرون) که از جذابیت‌های این روش می‌باشد. نرخ ماشین کاری در این روش نسبت به روش‌های سنتی و مرسوم بالاتر می‌باشد.
- ماشین کاری سطوح سه بعدی پیچیده به آسانی و بدون نیاز به عملیات اضافی مستقل از سختی و استحکام قطعه کار
- سرعت برداشت فلز بیشتر نسبت به روش‌های سنتی و مرسوم به خصوص برای قطعات سخت و مستحکم
- عدم خوردگی و امکان استفاده مجدد
- دقت و کیفیت سطحی بالا
- نیاز اندک به نیروی انسانی
- سطوح بی عیب و عاری از تنش