Research on Electrochemical-Mechanical Composite Polishing Electrode Design and Process Testing of 316 Stainless Steel Deep Long Holes

في أعماق الآلات الموجودة في محطات الطاقة النووية، ومحركات الطيران، وأنظمة الطاقة المتقدمة، توجد ممرات ضيقة تشبه الأنفاق، والتي يجب أن تكون خالية من أي عيوب. هذه عبارة عن ثقوب عميقة محفورة في الفولاذ المقاوم للصدأ من نوع 316، وهي مادة اختيرت لقوتها وقدرتها على مقاومة التآكل في أقسى البيئات. ومع ذلك، فإن الجدران الداخلية لهذه الأنفاق من الصعب للغاية معالجتها وتنعيمها. فعندما يحاول المصنعون تنعيمها باستخدام الأدوات الميكانيكية التقليدية، تكون النتائج غالباً غير متساوية، مما يترك وراءه خدوشاً مجهرية وخشونة يمكن أن تعرض سلامة وكفاءة الآلة بأكملها للخطر. ويكمكم التحدي في الوصول إلى عمق أنبوب صغير، يبلغ عرضه 3.5 مليمتر وطوله 80 مليمتراً فقط، لجعل السطح ناعماً كالمرايا دون إتلاف البنية الدقيقة.

ولحل هذه المشكلة، لجأ الباحثون في جامعة "شيان" للتكنولوجيا إلى طريقة تجمع بين قوتين متميزتين: الكهرباء والتجليخ الفيزيائي. هذا النهج، المعروف باسم التلميع المركب الكهروكيميائي، يعمل باستخدام أداة متخصصة تعمل كـموصل كهربائي وجراف ميكانيكي في آن واحد. تعتمد العملية على مبدأ بسيط ولكنه قوي: عندما تمر الكهرباء عبر سائل موصل بين سطحين معدنيين، فإنها تذيب النقاط المرتفعة من السطح المعدني، بينما تقوم الحركة الفيزيائية للأداة بكشط الأجزاء المستعصية غير القابلة للذوبان. ومن خلال موازنة هذين الإجراءين، هدف الفريق إلى إنشاء سطح ناعم جداً لدرجة أنه سيكون غير مرئي بالعين المجردة، محققاً بذلك المعايير القصوى المطلوبة للمكونات الصناعية عالية الجودة.

بدأ الباحثون بتصميم نوع جديد من أقطاب التلميع، وهي الأداة التي تقوم بالعمل الفعلي داخل الثقب. وأدركوا أن مفتاح النجاح لا يكمن فقط في السرعة أو الضغط، بل في النسبة المحددة لسطح الأداة الذي يوصل الكهرباء مقابل الجزء الذي يجلف ميكانيكياً. لقد أنشأوا نموذجاً رياضياً لفهم كيف ستؤثر هذه النسبة، التي أطلقوا عليها نسبة الواجهات النشطة كهروكيميائياً، على السطح النهائي. في نموذجهم، تم تقسيم الأداة إلى أقسام: بعض الأجزاء صُممت لتسمح بمرور الكهرباء وإذابة المعدن، بينما غُطيت أجزاء أخرى بألياف سيراميكية للقيام بالتجليخ الفيزيائي. وقاموا بمحاكاة كيفية سلوك هذه المزيجات المختلفة من المنطقتين داخل الثقب العميق والضيق.

ومن خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية، اكتشف الفريق أن التوازن بين الكهرباء والتجليخ أمر بالغ الأهمية. فعندما كانت الأداة تحتوي على الكثير من أسطح التجليخ وقليل من الاتصال الكهربائي، كان تأثير التنعيم ضعيفاً. ومع ذلك، عندما زادوا مساحة الاتصال الكهربائي، أصبح توزيع التيار أكثر تجانساً عبر الجدار الداخلي للثقب بأكمله. سمح هذا التوزيع المتساوي للكهرباء بإذابة القمم المجهرية على السطح المعدني بشكل أكثر اتساقاً. وأظهرت المحاكاة أن تكويناً معيناً هو الأفضل: أداة يكون فيها 80 بالمائة من السطح مصمماً لتوصيل الكهرباء و20 بالمائة مخصصاً للتجليخ الميكانيكي. عند هذه النسبة، استطاعت الأداة تسوية السطح الخشن بفعالية، محولةً مشهداً فوضوياً من التلال والوديان الصغيرة إلى سطح مستوٍ ومنتظم.

بعد تحسين التصميم في الحاسوب، انتقل الباحثون إلى المختبر لاختبار ابتكارهم على أنابيب حقيقية من الفولاذ المقاوم للصدأ 316. قاموا بإعداد محطة تجريبية دقيقة حيث يمكن للقطب الجديد أن يدور داخل الثقوب العميقة بينما يتم تطبيق جهد وضغط متحكم بهما. أجروا العملية لمدة 144 ثانية بالضبط، باستخدام جهد قدره 3.25 فولت وضغط تلميع قدره 0.08 ميجاباسكال، مع دوران الأداة بسرعة 564 دورة في الدقيقة. كانت النتائج مذهلة. فقبل المعالجة، كان مستوى خشونة السطح الداخلي للثقوب يبلغ Ra 3.2، وهو ملمس يبدو خشناً ويبدو باهتاً تحت التكبير. ولكن بعد مرور دقيقتين ونصف فقط من هذا التلميع المركب، تحول السطح تماماً.

وعندما فحص الفريق الثقوب النهائية تحت مجاهر قوية، وجدوا سطحاً نقياً. لم تكن هناك خدوش أو حفر أو عيوب مرئية. انخفض قياس الخشونة بشكل دراماتيكي إلى Ra 0.1، وهو مستوى من النعومة يضاهي المكونات البصرية عالية الدقة. وأكدت الدراسة أنه من خلال ضبط نسبة العمل الكهربائي والميكانيكي على الأداة بعناية، من الممكن تحقيق مستوى من التشطيب في الثقوب العميقة والضيقة كان يصعب الوصول إليه سابقاً. يوفر هذا العمل مساراً واضحاً لتحسين جودة المكونات الحيوية في الصناعات التي تهم فيها سلامة كل مليمتر مربع من السطح، مما يثبت أن الجمع المتوازن بين الكهرباء والميكانيكا يمكن أن يحل بعضاً من أصعب مشاكل التصنيع.