بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي تجربي تاثير پارامترهاي ماشينکاري بر سوراخکاري کامپوزيت ها
چکيده
کاربرد مواد کامپوزيتي امروزه گسترش زيادي پيدا کرده است . سـوراخکاري اين مواد با توجه به تمايل اين نـوع مـواد بـه جـدايش لايـه هايـشان تحـت نيروهاي برشي (نيروي محوري و گشتاور)، با مشکلاتي همراه است . از سوي ديگر، در صنعت ، سوراخکاري به عنـوان آخـرين مرحلـه از پروسـه توليـد و مونتاژ قطعات مي باشد و ايجاد عيب در اين مرحله ، باعث ضايع شدن قطعـه و تحميل هزينه هاي سنگين مي گردد.
در اين مقاله تاثير پارامترهاي برش و هندسه مته بر روي نيروهاي محوري و گشتاور و تورق و صافي سطح سوراخ مورد بررسي قرار گرفته است . براي برنامه ريزي آزمايشات از مربعات لاتين استفاده شده است . کارهاي عملي بر روي نمونه هاي کامپوزيتي ساخنه شده از جنس پلاستيک تقويت شده با الياف شيشه که به صورت لايه چيني دستي توليد شده اند، انجام گرفته است . بر روي داده هاي بدست آمده ، آناليز واريانس انجام گرفته است تا تاثيرپارامترهاي برش بر روي تورق مشخص گردد. ارتباط بين پارامترهاي برش (پيشروي و سرعت برشي) و عدد تورق که بيانگر ميزان تورق است با استفاده از رگرسيون خطي چند متغيره به دست آمده است
کلمات کليدي: سوراخکاري، کامپوزيت ، تورق ، آناليز واريانس
مقدمه
با رشد کاربرد کامپوزيتها ، کاربرد انها در سـاختارهايي کـه از تعـداد زيـادي قطعه تشکيل شده اند افزايش يافته است . اين قطعات را بايد به گونـه اي بـر روي هم مونتاژ نمود . قطعات کامپوزيتي عمدتا براي اجتناب از انجـام عمـل ماشينکاري بر روي انها که باعث افزايش هزيتـه هـاي توليـد مـي شـود بـه صورت نزديک به فرم نهايي توليد مي شوند. امـا در صـنايع نـوين ، نيـاز بـه صافي سطح بالاتر و دقت ابعادي بالاتر که با روشهاي توليد اوليه کامپوزيـت ها امکـان دسـتيابي بـه انهـا وجـود نـدارد، موجـب شـده اسـت کـه انجـام ماشينکاري ثانويه بر روي اين مواد اجتناب ناپذير باشد.
سوراخکاري مهم ترين عملياتي است که بر روي اين مواد انجـام مـي شـود.
روش هاي مختلف سوراخکاري براي ايجاد سوراخ بر روي اين مـواد بـه کـار مـي رونـد کـه از مهـم تـرين آنهـا مـي تـوان از سـوراخکاري التراسـونيک ، سوراخکاري تخليه الکتريکي، سوراخکاري با ليزر، سوراخکاري با جت آب و سوراخکاري سنتي نام برد که با توجه به هزينه ها و کيفيت مورد نياز، يکـي از اين روش ها به کار مي رود. در حال حاضر سوراخکاري سنتي بيشترين کاربرد را دارد. عمدتا سوراخکاري به عنوان عمليات نهايي در فرآينـد مونتـاژ بر روي قطعه انجام مي شود و هر گونه عيبي در ان موجب رد شـدن قطعـه مي گردد که اين امر هزينه هاي زيادي را به همراه دارد.
بر خلاف فلزات که در مورد ماشينکاري آنها، کتـاب هـا و هنـد بـوک هـاي زيادي منتشر شده است ، منابع بسيار اندکي وجـود دارنـد کـه اطلاعـاتي در مورد ماشينکاري کامپوزيت ها و چگونگي انتخاب پارامترهاي برشي در آنهـا ارائه دهند. آقايان فردريک راچارد و همکاران ايشان يک مدل مکانيکي را بـا اسـتفاده از تئوري خمش ورق براي تورق در کامپوزيت ها ارائه نموده انـد. ايـشان يـک مقدار نيروي محوري بحراني براي تورق به دست آورده اند[۱]. آقاي انموس و همکاران ايشان ، با ترکيب روش بهينه سازي چنـد عـاملي و روش تحليـل تجرب تاگوچي، روشي را براي انجام سوراخکاري بـدون تـورق ارائـه نمـوده اند[۲].
اينانجلا و همکاران ايشان ، مدلي را براي پيش بيني نيروي محوري و گشتاور در هنگام سوراخکاري مواد کامپوزيتي ارائه نموده اند[۳]. آقايان هوچنگ و تسائو نيروي محوري بحراني براي ايجاد تورق در کامپوزيت ها را براي مته هاي مختلف به دست آورده و آنها را با مته مارپيچ مقايسه نموده اند[۴].
تورق
تورق مهمترين عيبي است که در هنگام سوراخکاري پلاستيک هاي تقويـت شده و کلا در کامپوزيت هاي لايه لايه ايجاد مي شود. اين عيب تاثير بـسيار مخربي بر قطعه کار دارد. اين عيب علاوه بر کـاهش کيفيـت قطعـه ، باعـث ايجاد ضعف در تلرانس مونتاژ مي شود و پتانـسيل خـراب نمـودن قطعـه در مدت زمان طولاني را دارد. اين عيب خود به دو دسته تقسيم مـي شـود کـه عبارتند از:
تورق در خروجي (شکل (۱) بالا) تورق در ورودي (شکل (۱) پايين )
مکانيزم ايجاد اين دو عيب کاملا متفاوت از هم مي باشد. تورق در ورودي به دليل مکانيزم بيرون کشيدن رخ مي دهد در حالي که تورق در خروجـي بـه دليل مکانيزم هل دادن ايجاد مي شود.
تورق در ورودي به هنگام ورود مته به داخـل قطعـه کـار ايجـاد مـي شـود.
هنگامي که لبه هاي برشي مته با قطعه کار درگير مي شوند، با اعمال نيروي محوري از جانب مته ، نيروي برشي که در جهت محيطي عمل مـي کنـد بـه عنوان نيروي بيرون کشنده عمل کرده و باعث ايجاد تـورق مـي شـود. ايـن نيرو، يک نيروي بيرون کشنده در جهت محوري به سمت شـيب شـيار متـه ايجاد مي کند که باعث جدا شدن لايه ها از هم شده و يک ناحيه متـورق را درسطح ورودي سوراخ ايجاد مي کند.
هنگامي که مته به سمت خروجي قطعه کار مي رسد، مکانيزم هـل دادن رخ مي دهد. در اين هنگام مقاومت لايه هاي باقي مانـده قطعـه کـار کـه هنـوز سوراخ نشده اند، به تدريج کاهش مي يابد تا هنگامي که ديگر اين لايـه هـا نمي توانند در مقابل نيروي محوري اعمال شده از جانب مته مقاومت کننـد. در اين هنگام است که لايه هاي باقي مانده از هم جـدا مـي شـوند و باعـث ايجاد تورق در خروجي سوراخ مي شوند.
شکل (۲) ناحيه معيوب را به صورت شماتيک نـشان مـي دهـد. بـراي بيـان ميزان تورق ايجاد شده از يک فاکتور عددي استفاده مي کنند که به آن عدد تورق گفته مي شود. عدد تورق از رابطه (۱) به دست مي آيد
که در آن Dmax بزرگترين قطر سوراخ و D قطر اسمي سوراخ يا همان قطر مته است .
آزمايشات
تجهيزات و مواد مورد استفاده نمونه هاي کامپوزيتي بااستفاده از رزين اپوکسي به عنوان مـاتريس و اليـاف شيشه از نوع بافته شده ، توليد شده اند. مشخـصات ايـن مـواد در جـدول ۱ داده شده است . درصد وزني الياف در اين مونـه هـا ۵۴.۳ درصـد و درصـد حجمي الياف در آنها ۳۴.۴ درصد است . نمونـه هـا بـه صـورت لايـه چينـي دستي وليد شده اند و داراي ۲۱ لايه هستند. ضخامت نمونه هـاي سـاخته شده ، ۴.۲ ميليمتر است و نمونه ها در ابعاد ۵×۲۰ سانتي متر بريـده شـده اند.
ازمايـشات سـوراخکاري بـر روي ماشـين متـه راديـال انجـام گرفتـه اسـت .
بيشترين دور اسپيندل اين ماشـين ۱۴۴۰ دور بـر دقيقـه اسـت . بيـشترين پيشروي مته در اين ماشين ، ۰.۹۹ ميليمتر بر دور است . در ايـن آزمايـشات ، سه نوع مته مورد استفاده قرار گرفته است ؛ مته فـولاد تنـدبر بـا زاويـه راس ۱۱۸ درجه ، مته مته فولاد تندبر با زاويه راس ۱۳۰ درجه و متـه کاربايـد بـا زاويه راس ۱۳۰ درجه . تمام اين متـه هـا سـاخت شـرکت گورينـگ آلمـان هستند.
اندازه گيري نيروي محوري و گشتاور، بـا اسـتفاده از دينـامومتر متـه انجـام گرفته است . اندازه گيري عيوب اطراف سوراخ هم به کمک ميکروسـکوپ بـا بزرگنمايي x انجام گرفته است .
شکل (۳): تجهيازت مورد استفاده براي انجام آزمايشات سوراخکاري طرح آزمايشات
براي طرح چيدمان آزمايشات ، از روش مربعات لاتين استفاده شده است . در اين طرح ۶ سطح براي سرعت برشي و ۶ سطح براي پيشروي انتخاب شده اند. سطوح انتخابي براي پيشروي عبارتند از؛ ۰.۰۸ ، ۰.۱۳ ، ۰.۲۲ ، ۰.۳۳، ۰.۵۸ و ۰.۹۹ ميليمتر بر دور. سطوح انتخاب شده براي دور هاي برشي عبارتند از؛ ۲۲۵ ، ۳۳۰ ، ۴۴۰ ، ۷۲۰ ، ۹۷۵ و ۱۴۴۰ دور بر دقيقه
نتايج
تاثير سرعت برشي و پيشروي بر روي نيروي محوري نتايج حاصل از اندازه گيري نيروهاي محوري در شکل (۵) نشان داده شده است . تمامي سوراخ ها با استفاده از مته فولاد تندبر بازاويه راس ۱۳۰ درجه ايجاد شده اند. با توجه به نمودار شکل (۵) مي توان دريافت که با افزايش سرعت برشي، نيروي محوري کاهش مي يابد. اين کاهش در پيشروي هاي پايين به مقدار بسيار جزئي صورت مي گيرد، اما با افزايش پيشروي، ميزان کاهش نيروي محوري هم زيادتر مي گردد. دليل کاهش بيشتر نيروي محوري با افزايش پيشروي، مي تواند با حرارت توليد شده ارتباط داشته باشد. در پيشروي هاي بالا، ميزان حرارت توليد شده بالا بوده و در نتيجه دماي ناحيه سوراخکاري بالا مي رود. اين امر باعث نرم تر شدن ماتريس شده و در نتيجه مته راحت تر در قطعه کار فرو مي رود و نيروي محوري کاهش مي يابد. از سوي ديگر، شکل (۵) نشان مي دهد که با افزايش پيشروي، نيروي محوري به مقدار زيادي افزايش مي يابد.
شکل (۵): تاثير سرعت برشي و پيشروي برروي نيروي محوري تاثير سرعت برشي و پيشروي بر روي گشتاور نتايج حاصل از اندازه گيري گشتاور با استفاده از دينامومتر، در شکل (۶) نشان داده شده است . از نمودار شکل (۶) مشخص است که در پيشروي پايين ، سرعت برشي تاثير نامشخصي بر روي گشتاور دارد. يعني با افزايش سرعت برشي ، گشتاور دچار تغيير مشخصي نمي گردد و تقريبا ثابت است .
اما در پيشروي هاي بالا، با افزايش سرعت برشي، گشتاور کاهش مي يابد.
عامل اين کاهش ، مي تواند درجه حرارت منطقه سوراخکاري باشد که قبلا هم به آن اشاره شد . با افزايش سرعت برشي از ۲۲۵ تا ۱۴۴۰ دور بر دقيقه ، گشتاور به ميزان ۲۲.۵ درصد کاهش مي يابد و از ۱۲ نيوتن در متر به ۹.۳ نيوتن در متر مي رسد. با توجه به نمودار شکل (۶) مشخص مي شود که با افزايش پيشروي، گشتاور به مقدار زيادي افزايش مي يابد. در پيشروي هاي پايين ، در سرعت هاي برشي مختلف ، ميزان گشتاور تقريبا ثابت است . اما با افزايش پيشروي، در سرعت هاي برشي بالاتر ميزان گشتاور نيز بالاتر است .
تاثير سرعت برشي وپيشروي بر روي تورق نتايج حاصل از اندازه گيري عدد تورق در شکل (۷) نشان داده شده است . نتايج حاصل ، بيانگر اين هستند که با افزايش سرعت برشي، عدد تورق افزايش مي يابد. در پيشروي پايين ، ميزان اين افزايش بسيار کم است . اما هنگامي که پيشروي افزايش مي يابد، ميزان افزايش تورق نيز زيادتر مي گردد. عامل موثر در اين زمينه مي تواند دماي ناحيه سوراخکاري باشد.
هنگامي که پيشروي کم است ، ميزان افزايش دماي برش با افزايش سرعت برشي کم است . اما در پيشروي هاي بالا، دماي برش زيادتر مي شود. اين امر سبب نرم تر شدن ماتريس که دماي ذوب پاييني دارد، مي شود. نرم شدن ماتريس ، موجب کاهش استحکام آن مي شود و در نتيجه توانايي ماتريس براي نگاه داشتن لايه ها در کنار هم کاهش مي يابد و بدين ترتيب لايه ها راحت تر از هم جدا مي شوند و تورق افزايش مي يابد.
با توجه به نمودار شکل (۷) مي توان دريافت که با افزايش پيشروي، عدد تورق به ميزان زيادي افزايش مي يابد. با مقايسه نتايج حاصل از اين بخش و بخش قبل مشخص است که تاثير پيشروي بر روي تورق ، بيشتر از تاثير سرعت برشي مي باشد. يعني ميزان تغيير تورق با تغيير پيشروي، بيشتر از ميزان تغيير تورق با تغيير سرعت برشي مي باشد. عامل اصلي در ايجاد تورق ، نيروي محوري مي باشد. از آنجا که پيشروي تاثير زيادي بر روي نيروي محوري دارد، تاثير آن بر روي تورق نيز بيشتر است .
