شنبه , ۱۳ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی
ماشینکاری فراصوتی

ماشینکاری فراصوتی

 

ماشینکاری فراصوتی

ارسالی از :محمدرضا هوشیار

 

 

مقدمه:

ماشینکاری آلتراسونیک (USM) یکی از فرایندهای غیرسنتی ماشینکاری مکانیکی میباشد این فرایند به منظورماشینکاری مواد سخت ویا شکننده)رسانا و غیر رسانا ( که سختی آنها معمولا بیش از RC 40 است بکار گرفته می شود.این روش ماشینکاری از یک ابزاربه شکل معین و حرکت مکانیکی با بسامد بالاو یک دوغاب ساینده استفاده میکند. در USM برداشت مواد توسط دانه های سایندهایی صورت می گیردکه به وسیله یک ابزاردرحال ارتعاش )به صورت عمود بر سطح قطعه کار( به حرکت واداشته شده اند.

ماشینکاری فراصوتی

در USM از اصل تغییر طول مغناطیسی استفاده می شود .هنگامی که یک جسم فرومغناطیس در یک میدان مغناطیسی متغیر پیوسته قرار داده شد طول آن تغییر می کند .

وسیله ای که صورت های دیگرانرژی را به امواج مافوق صوت تبدیل می کند مبدل فراصوتی می نامند. مبدل در USM سیگنال الکتریکی با بسامد بالا را به حرکت مکانیکی خطی)یا ارتعاش( با بسامد بالا تبدیل می کند این ارتعاشات بابسامد بالا از طریق ابزارگیر به ابزار منتقل می شود .برای دست یابی به نرخ برداشت ماده  ((MRRبهینه ابزارو ابزار گیربه گونه ای طراحی می شوند تا بتوان به حالت تشدید دست یافت.تشدید )یا بیشترین دامنه ارتعاش (زمانی صورت می گیرد که بسامد ارتعاش با بسامد طبیعی ابزار و ابزارگیر یکی شود.

ماشینکاری فراصوتی

شکل ابزاربه صورت معکوس حفره مورد نظر ساخته می شود.ابزار در موقعیتی بسیارنزدیک به قطعه قرار گرفته و فاصله میان ابزار مرتعش و سطح قطعه کار توسط دوغاب متشکل از ذرات ساینده بسیار ریزمعلق در یک ماده واسطه )معمولا”آب( تشکیل می شود.

وقتی ابزار درحرکت رو به پایین خود مرتعش می شود به ذرات ساینده ضربه وارد می کند.این ضربه دانه ها را در فاصله میان ابزارو قطعه کار به پیش می برد.این ذرات مقداری انرژی جنبشی به دست آورده و با نیرویی بیشتر از نیروی وزن خود بر سطح قطه کارضربه می زند. این نیرو برای برداشت ماده از سطح قطعه کاری ترد کافی است و باعث ایجادیک حفره بر روی آن می شود . هر حرکت رو به پایین ابزار، ذرات زیادی را شتاب می دهد و باعث تشکیل هزاران براده کوچک در هر ثانیه می شود.

به نظرمیرسد در صد بسیار کمی )در حدود ۵%( از ماده نیز توسط پدیده ای به نام فرسایش حفره ای برداشته می شود .برای ثابت باقی ماندن فاصله بسیار کم بین ابزار وقطعه کار معمولا ابزار به سمت قطعه کار قطعه کار پیشروی می کند.

ماشینکاری فراصوتی

اگرچه مقدار MRR به دست آمده در USM کم است امااین فرایند قادربه ماشینکاری حفره های پیچیده در مواد ترد و یا سخت در یک مرحله است.

به دلیل عدم وجود تماس مستقیم میان ابزار و قطعه کار USM فرایند مناسبی برای ماشینکاری مواد نازک و شکننده است .همچنین بااین روش ماده ترد را بسیار راحت تر از مواد نرم می توان ماشینکاری نمود .

به دلیل عدم وجود ولتاژ بالا مواد شیمیایی ونیروهای مکانیکی و حرارت در این فرایند آن را به عنوان روشی بسیار ایمن و بی خطر در نظر می گیرند.

 

 سیستم ماشینکاری فراصوتی:

دستگاههای USM موجود توانی بین ۴۰W تا ۲/۴Kw دارند و از قسمت هایی مانند سیستم تغذیه مبدل انرژی ابزار گیر ابزار و ساینده ها تشکیل شده اند .

یک ژنراتور موج سینوسی با توان بالا الکتریکی با بسامد پایین ((۶۰Hz را به توان الکتریکیپایین با بسامدبالا (۲۰۰KHz) تبدیل میکند .

این سیگنال الکتریکی با بسامد بالا به یک مولد انرژی فرستاده می شود که این مبدل سیگنال را به ارتعاشی با دامنه کم و بسامد بالاتبدیل می کند.

بطور کلی مبدل انرژی الکتریکی را به ارتعاش مکانیکی تبدیل می کند. دونوع مبدل در USM مورد استفاده قرار می گیرد:

نوع پیزوالکتریکی ویا نوع تغییر طول دراثر میدان مغناطیسی.

بلورها ی پیزو الکتریک )مانند کوارتز (به هنگام فشرده شدن جریان الکتریکی کمی تولید می کنند .همچنین زمانی که از یک بلور جریان الکتریکی گذرانده شود، بلور منبسط شده و با برداشتن جریان بلور به اندازه اصلی خود بازمی گردد.این اثر باعنوان اثر پیزو الکتریک شناخته می شود. این مبدل ها دارای توانی با ظرفیت ۹۰۰W میباشد.

نوع مبدل تغییر طول در اثرمیدان مغناطیسی نیز به هنگام قرار گرفتن در معرض یک میدان مغناطیسی قوی تغییر می کند . این مبدل ها از ورقه های نیکل ویا آلیاژهای آن ساخته شده اند . راندمان تبدیل این مبدل ها (۲۰%_۵۰%) بسیار کمتر از راندمان تبدیل مبدل های پیزوالکتریک تا (۹۵%) است.بنابراین خنک کردن آنها برای از بین بردن حرارت تلف شده ضروری است . این نوع مبدل ها توانی با ظرفیت تا ۲/۴KW دارند.

بیشترین تغییر طول (یادامنه ارتعاش( قابل حصول با این مبدل ها نیز ۲۵μm میباشد.

ابزارگیر ابزار را نگه می دارد و به مبدل متصل میکند .ابزار گیر در واقع انرژی را منتقل کرده و در بعضی موارد دامنه ارتعاش را نیز تقویت می کند .بنابراین جنس ابزار باید خواص صوتی خوب و مقاومت به ترک خستگی بالایی داشته باشد.

برای جلوگیری ازجوشکاری فراصوتی بین مبدل و ابزارگیر باید اقدامات لازم انجام گیرد ،به عنوان مثال:

الف) میتوان آنهارا توسط پیچها با انطباق آزادبه یکدیگر متصل نمود.

ب) مواد استفاده شده برای ابزارگیر معمولا”از جنس مونل تیتانیوم و فولاد های زنگ نزن باشد.

از مونل به دلیل دارا بودن خواص لحیم کاری و صوتی خوب معمولا”برای کاربردهای با دامنه کم استفاده می شود .در کاربرد های با دامنه زیاد جنس ابزارگیر باید استحکام خستگی خوبی داشته باشد . علاوه بر این ابزارگیر ممکن است بصورت تقویت کننده و یاغیر تقویت کننده باشد .ابزارگیرهای غیر تقویت کننده دارای سطح مقطح گرد هستند

ودامنه یکسانی را در دو انتهای ورودی و خروجی می دهند . ابزار گیرهای تقویت کننده حرکت ابزار راتا حدود ۶ برابر افزایش داده که این مقدارافزایش با اعمال کشش و رها کردن ابزارگیر به دست می آید . این نوع ابزارگیرنرخ برداشت مادهای (MRR) در حدود ۱۰برابر بیشتر از ابزارگیر غیر تقویت کننده ایجاد می کند . ابزارگیرهای تقویت کننده گرانتربوده، نیاز به هزینه عملیاتی بیشتری داشته و نیز کیفیت سطح نامطلوب تری را ایجاد می کند.

Untitled

ابزار ها معمولا”از مواد نسبتا”شکل پذیر )مانند برنج- فولاد زنگ نزن- فولاد نرم و…) ساخته می شوند.بطوریکه نرخ سایش ابزار(TWR)را بتوان به حداقل رساند.

نسبت TWRبه MRR به نوع ساینده جنس قطعه کار و جنس ابزار بستگی دارد.

پرداخت سطح ابزار نیزمهم است . چون پرداخت سطح ابزار دست آمده روی قطعه کار اثر می گذارد .ابزار وابزارگیر نباید دارای زدگی ها ی ماشینکاری و خراشیدگی باشند . تا در برابر شکست زودهنگام  در اثر خستگی مصون بمانند . به منظور احتساب اضافه برش ابزارها باید متناسب طراحی شوند.لحیم نقره ی ابزار به ابزارگیر مشکل خستگی که در اتصال پیچی وجوددارد را کاهش می دهد .

معیار های انتخاب دانه ها ی ساینده در USM باید سختی – اندازه ی ذرات- عمر مفیدوهزینه باشند.

نکته) ذرات متداول مورد استفاده به ترتیب افزایش سختی عبارتند از: اکسیدآلومینیوم– کاربید سیلیسیم – کاربیدبر

برای داشتن عمر مفید زیاد، سختی ذرات بایدبیشتر از سختی قطعه کار باشد MRR .وپرداخت سطح به دست آمده در USM نیز تابع

اندازه ذرات هستند.دانه های درشت تر باعث MRR بالاتر و پرداخت سطح نامطلوب ترمی شود .در حالیکه عکس آن با دانه های ریز تر صادق است.

اندازه ی سرند یا الک برای دانه هایی که معمولا”بکارمیروند از ۲۴۰ تا ۸۰۰ است .

دو غاب ساینده شامل آب و ساینده ها به نسبت وزنی یک به یک است. با این وجود این نسبت می تواند بر حسب نوع عملیات تغییرکند، به عنوان مثال مخلوط های رقیق تر )یا با غلظت کمتر( برای مته کاری سوراخ های عمیق و یا ماشینکاری حفره های پیچیده به کار می روند تا جریان دو غاب ذخیره شده درمخزن به فاصله تشکیل شده توسط ابزار و قطعه کار پمپاژ می شود.در صورت بکار گیری دستگاههای پر قدرت ممکن است یک سیستم خنک کننده برای از بین بردن حرارت دو غاب ساینده لازم باشد.

 

قابلیت های فرایند:

USMزمانی به طور رضایت بخش کار می کند که سختی قطعه کار بیشتر از ۴۰HRC(سختی درمقیاس راکول C) باشد.در صورتیکه سختی قطعه کار بیش از HRC 60 باشد این فرایند بسیار خوب کار می کند.

این روش موادی)کاربید ها – سرامیک ها – تنگستن –شیشه (را که با روشهای سنتی نمی توان ماشینکاری کرد به راحتی ماشینکاری می نماید.

 

تلرانس های به دست آمده بااین فرایند در گستره ۷μm و ۲۵μm می باشند . بااین روش حتی سوراخهایی به کوچکی ۷۶μm هم مته کاری شده اند. سوراخهایی با عمق تا ۵۱mm به سهولت ایجاد شداند .در حالی که سوراخهایی با  عمق ۱۵۲mm نیز با بکار بردن روش شستشوی مخصوص مته کاری شده اند .نسبت ابعاد به دست آمده ۴۰:۱ میباشد.

در فرایند USM نرخ خطی برداشت ماده MRR 1 ) که با عنوان نرخ نفوذ نیز شناخته می شوند( از ۰/۰۲۵mm/min تا ۲۵mm/min است و به پارامتر های مختلف بستگی دارد .

پرداخت سطح در این فرایند از ۰/۲۵μm تا ۰/۷۵μm تغییر می کند و بیشتر تحت تاثیر اندازه ی ذرات ساینده قرار می گیرد USM. باعث پدید آمدن بافت سطحی بدون جهت درمقایسه با فرایند سنگ زنی سنتی می شود.

دقت سطح ماشینکاری شده توسط اندازه ذرات ساینده – سایش ابزار – ارتعاش عرضی وعمق ماشینکاری شده تعیین می شود.

اضافه برش )لقی بین ابزار و قطعه کار (معمولا”به عنوان معیاری از دقت بکار میرود. اضافه برش شعاعی ممکن است بسیار کم و در حدود

۱ / ۵ تا ۴ برابر اندازه ی متوسط ذره ساینده باشد . اضافه برش همچنین به پارامتر های دیگری نظیر جنس قطعه کار و روش تغذیه ابزاربستگی دارد . اضافه برش در طول عمق ماشینکاری شده یکسان نیست و باعث مخروطی شدن حفره ی ماشینکاری شده میگردد.راههای مختلفی به منظور کاهش میزان مخروطی شدن پیشنهاد شده است که از آن جمله به کار بردن بار استاتیکی بیشتر تزریق مستقیم دو غاب به درون منطقه ماشینکاری واستفاده از یک ابزار با زاویه ی مخروطی منفی را می توان نام برد.

 

عدم گردی ملاک دیگری است که برای سنجش دقت در مته کاری سوراخهای استوانه ای بکار می رود .تنظیم غیر دقیق ابزار در فرایند USM دلیل اصلی ارتعاش جانبی است که منجر به عدم گردی در حفره می شود عدم گردی به جنس قطعه کار نیز بستگی دارد.

 

به شکل صفحه بعد توجه کنید:

 ماشینکاری فراصوتی

کاربرد ها:

مهمترین کاربرد موفقیت آمیز USM در ماشینکاری حفره ها درسرامیک ها ی غیر هادی الکتریسیته می باشد . این فرایند در مورداجزا ترد و شکننده که میزان دور ریزنسبتا”بالایی)با روش های دیگر دارند ( کاملا”موفق است .جهت افزایش بهره وری از این

فرایندبرای مته کاری چند سوراخ بطور همزمان استفاده می شود . به عنوان مثال ۹۳۰سوراخ که شعاع هر یک ۰/۳۲mm است.

برای این منظور از سوزنهای تزریق زیر پوستی به عنوان ابزار استفاده شده است USM . همچنین برای ساخت چند مرحله ای پرده های توربین از جنس نیترید سیلیس به خدمت گرفته شده است.

Untitled

منابع:

D.G. Flom, Implementation of High Speed Machining, High speed

Machining, pp445-449, published by SME

Komanduri, J. McGee, R. A. Thompson, J. P. Covey, F. J.

Truncale, V. A. Tipnis , On a methodology for establishing the machine tool system requirements for high speed machining, High speed Machining, pp37-47, published by SME

http://highspeedmachining.mae.ufl.edu/

http://manufacturingcenter.com

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

waterjet

برش واترجت

گرد آورندگان:حسن شمشیری،رضا ذبیحی،محمد فرزانه،بهزاد حامد،ابوالفضل فیضی،هادی زنوزی استاد راهنما:جناب آقای سازگاران دانشگاه فناوری های …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.