بخشی از مقاله
بررسي شرايط بهينه ماشينکاري سوپرآلياژ اينکونل ٧١٨ با رويکرد طراحي آزمايش تاگوچي
کنترل دقيق سطح ماشينکاري شده براي رسيدن به قطعاتي با قابليت اطمينان و طول عمر بالا، در قطعات هوافضا حياتي است . در اين مقاله به بررسي کيفيت سطح و مکانيزم تراش اينکونل ٧١٨ پرداخته شده است .
بدين منظور صافي سطح و نيروي ماشينکاري در حين تراشکاري با تيغه پوششدار کاربيدي اندازه گيري شده است . مشاهده شد که با سرعت برشي متوسط و پيشروي کم و عمق برش متوسط مي توان سطحي با کيفيت بدست آورد.
در اين تحقيق ابتدا پارامترهاي مهم ماشينکاري و سطوح آنها تعيين شده و سپس با استفاده از روش تاگوچي آرايه متعامد (OA) مناسب طراحي شده، پس از انجام آزمايشات و اندازه گيري خروجي هاي مورد نظر (صافي سطح ، نيروهاي ماشينکاري) با استفاده از روشهاي تحليل آماري AOM و ANOVA تاثيرات متغييرهاي ورودي بر خروجي مشخص شده و سطوح بهينه آن ها بدست آمده است .
مقدمه
آلياژ اينکونل ٧١٨ به طور وسيعي به عنوان سوپر آلياژ مورد استفاده قرار مي گيرد به طوري که تقريبا از همه محصولات سوپر آلياژها را تشکيل مي دهد. اين آلياژ به وسيله کمپاني بين المللي نيکل در حدود سال ١٩٥٠ توسعه پيدا کرد و از آن به عنوان کاربردهاي توربين گازي مورد استفاده قرار گرفت که داراي استحکام بسيار عالي، فرم پذيري خوب و تافنس خوب در محدوده دمايي ٢٥٠- تا ٧٠٠ درجه سانتي گراد مي باشد. بارزترين صفت اينکونل ٧١٨ فرآيند تغييرپذيري آن مي باشد، هم چنين مي توانيم اين آلياژ را براي رنج وسيعي از دما، کاهش در سطح مقطع هاي فرج و نرخ کرنش استفاده کنيم که براي توليد ريز ساختارها و خواص ويژه مورد نظر استفاده مي شود. اينکونل ٧١٨ در ميان آلياژهاي پايه نيکلي بي نظير مي باشد زيرا قابليت جوشکاري خوب، مقاومت خوبي در برابر ترک هاي ناشي از پير کرنشي از خود نشان ميدهد. خاصيت جوش پذيري بالا به خاصيت رسوب کم رسوبات از استحکام بخشي اوليه توسط فاز گاما دوبل پرايم مي باشد. حساسيت پير سختي که علاوه بر اين قابليت شکل پذيري خوبي نيز دارد. هم چنين مقاومت خوردگي خوبي در مقابل آب دريا دارد و به همين دليل در مورد کاربردهاي دريايي بسيار مورد استفاده قرار مي گيرد.
اين آلياژ را هم به شکل ريختگي و هم به شکل کار شده توليد مي شود.
همچنين در ساختار سازه هاي هوا فضايي، هسته اي، پتروشيمي، مورد استفاده قرار مي گيرد. کاربرد عمده هوافضايي اين آلياژ شامل کمپرسور، توربين ديسکي، تيغه گرداننده توربين ، جدا کننده ها و پيچ ها براي راکت سوخت مايع جت مي باشد، که اين اجزا در دماي تبريد مشغول به کار هستند و هم چنين براي تجهيزات باطري ماهواره ها مورد استفاده قرار مي گيرد [١]. خواص مکانيکي اين آلياژ در شکل ١ آمده است . از جمله اين خواص مي توان به هدايت گرمايي و ظرفيت گرماي ويژه کم اين آلياژ اشاره کرد.
آلياژهاي پايه نيکل مقاومت طبيعي اندکي در برابر اکسيداسيون دماي بالا دارند. افزودن کروم CrO٢٣ محافظ بهم چسبيده را روي سطح مواد در زمان حرارت دهي در محيط اکسيداسيون توليد مي کند. مقاومت اکسيداسيون بهينه در آلياژهاي کروم - نيکل با ميزان کرومي در حد ١٥ تا ٣٠ درصد بدست آورده مي شود [٢]. عناصر تشکيل دهنده اينکونل ٧١٨ در جدول ١ آمده است .
فرآيند ماشينکاري داراي سه جنبه اصلي وضعيت و جنس قطعه کار، شرايط و عوامل ماشينکاري و انتخاب نوع ابزار است که انتخاب صحيح ابزار از اهميت بيشتري برخوردار است . چون متناسب با شرايط عملکردي، جنس قطعه کار را از قبل مشخص مي کنند، به دليل تنوع ابزار، شرايط تريبو سيستم و .... انتخاب صحيح ابزار پيچيدگي خاص خود را دارد، هم چنين مي توان گفت که انتخاب صحيح ابزار به نوع عمليات ماشينکاري (پرداخت کاري يا خشن کاري)، جنس قطعه کار و حالت آن، شکل و شرايط سطح قطعه ، استحکام ماشين ابزار و قدرت آن بستگي دارد [٤].
بررسي هاي آزمايشگاهي و تئوري نشان مي دهند که ابزارهاي در معرض نيروهاي استاتيکي، ديناميکي، دما و در نتيجه تحت پديده استهلاک قرار مي گيرند. بنابراين ابزارهاي برشي بايستي چهار ويژگي اصلي داشته باشند
که اين ويژگي ها عبارتند از:
الف ) سختي: ابزار بايستي سختي خود را در حين عمليات ماشينکاري حفظ نمايد.
ب) چقرمگي: ابزار بايد استحکام خود را در برابر بارهاي ضربه اي حفظ کند و دچار لب پريدگي و شکست ناگهاني نشود.
ج) مقاومت سايشي ابزار بايستي در مقابل سايش خراشان، چسبان، ورقه اي و غيره مقاوم باشد.
د) ثبات شيميايي: ابزار بايستي تحت شرايط کاري و دماي عمليات نسبت به قطعه کار از نظر شيميايي خنثي باشد. مواد ابزار برشي معمولا تنش هاي مکانيکي و حرارتي زيادي را نزديکي لبه برنده در حين ماشينکاري Ti و آلياژهاي پايه نيکل مثل اينکونل ٧١٨ به دليل قابليت ماشينکاري ضعيف اين آلياژها متحمل مي شوند. بنابراين يکي از ويژگي هايي که اين ابزارها بايد دارا باشند، گرما سختي است تا در برابر حرارت توليد شده مقاومت داشته باشند. ولي اکثر ابزارها سختي خود را در حرارت هاي بالا از دست مي دهند که همين امر سبب فرسايش زودرس اين ابزارها مي گردد [٥].
مي توان گفت کاربايدها بيشترين مصرف را در بين ابزارهاي برشي دارند زيرا داراي خصوصياتي مانند: گرماسختي بالا، مقاومت به سايش خوب و چقرمگي متوسط هستند. يکي از مهمترين دلايل پرمصرف بودن کاربايدها قابليت روکش پذيري آن ها مي باشد که انواع روکش ها توسط روش هايي مانند PVD ,CVD بر روي پايه هاي کاربايدي قابل اعمال مي باشد. به بيان ديگر کاربايدها را مي توان حد فاصل بين فولادهاي تندبر و سراميک ها دانست . ابزارهاي کاربيدي روکشدار تا حد زيادي براي ماشينکاري آلياژهاي پايه نيکل ، بخصوص اينکونل ٧١٨ بکار مي رود [٦].
براي آلياژهاي پايه نيکل مبتني بر ماشينکاري با سرعت بالا به سرعت بيش از ٤٠ متر بر دقيقه اشاره شده است [٧].
طراحی آزمایش:
آزمايش ها بر روش تاگوچي استوار است و اجرا شده اند تا بهترين سطح پارامترهاي پردازش تعيين شوند و ناپايداري در پاسخهاي خروجي کاهش يابد. قدم هاي اساسي در طراحي آزمايش تاگوچي : انتخاب پاسخهاي خروجي، انتخاب متغييرهاي مستقل و اثرات فعل و انفعال آنها و طراحي آرايه متعامد OA٢ است . AOM٣ و ANOVA٤ براي تشخيص متغيرهاي مهم و سطوح بهينه آنها بکار برده مي شود.
از عوامل مهم در بدست آوردن سطوح با کيفيت بالا در تراشکاري، تنظيم متغييرهاي تراشکاري مي باشد که نامتناسب بودن هر يک از آن ها موجب عدم دقت و کيفيت در سطوح مي گردد و تناسب آن ها بر اساس ابزار انتخابي مي باشد. متغييرهاي تراشکاري عبارت از سرعت برش، نرخ پيشروي و عمق برش مي باشند.
پارامترهاي ماشينکاري که انتخاب شده اند بر اساس اطلاعات در دسترس در مقالات و آزمايش هاي گذشته بوده است . مسلم شده است که سرعت برش در حرارت توليدي در ماشينکاري تاثير دارد. به موجب تغير فرم ماشينکاري تنشهاي باقيمانده روي سطح ماشينکاري شده وارد مي شود .
علاوه بر اين نرخ پيشروي عمق برش روي نيروي برش تاثير مي گذارد که در تراش، روي کارسختي و تنشهاي باقيمانده در سطح ماشينکاري شده اثر مي گذارد [٨] .
سه متغيير ١- سرعت برشي ٢- ميزان پيشروي ٣- عمق برش برش به عنوان متغيرهاي مستقل در ماشينکاري اينکنل ٧١٨ انتخاب مي شود.سرعت برشي، پيشروي و عمق برش در سه سطح مختلف انتخاب شده است (جدول٢).
ميزان پيشروي و عمق برش ذکر شده در بالا بر اساس مقالات موجود و کاتالوگ توليد ابزار برش انتخاب شده است . با داشتن سه فاکتور سه سطحي، آرايه متعامد L٩ انتخاب شده است .
انتخاب متفير خروجي : در اين تحقيق ، سه متغير پاسخ در نظر گرفته شده است :
١- زبري سطح
٢- نيروهاي ماشينکاري
آگاهي از نيروهاي برش يکي از موضوعات پر اهميت در فرآيندهاي ماشينکاري است . آگاهي از نيروها به منظور تخمين قدرت مورد نياز ماشين ابزار و طراحي اجزا آن، صلبيت مناسب و بدون ارتعاش ماشين ابزار امري ضروري است .
عوامل موثر بر نيروي ماشينکاري عبارتند از :
- ماده: تابع نوع، وضعيت شبکه و وضعيت عمليات حرارتي مي باشد.
- ابزار: تابع جنس ، هندسه ، وضعيت ساييدگي و شکل مي باشد.
- کميت هاي تنظيمي: تابع پيشروي، عمق تراش و سرعت تراش مي باشد.
- ساير عوامل : تابع روانکاري، خنک سازي، شکل براده و مقاومت سايشي مي باشد [٩].
کيفيت سطح يکي از مهم ترين پارامترهاي کارکردي قطعات مکانيکي و همچنين يکي از محدوديت ها در انتخاب پارامترهاي براده برداري در طراحي فرآيند مي باشد. کيفيت سطح در بارگذاري خستگي، انطباق هاي دقيق ، نرخ سايش و مقاومت خوردگي تاثيرگذار مي باشد[١٠]. سطوح با روش هاي مختلفي توليد مي شوند که از حرکت نسبي ابزار و قطعه کار نسبت به هم حاصل مي شود. يکي از عوامل مهم و تاثيرگذار بر کيفيت سطح ماده، ابزار برشي مي باشد. ابزار با موادسخت تر سطح بهتري را حاصل مي کند. عامل موثر ديگر بر کيفيت سطح صلبيت ماشين ابزار، قطعه کار و ابزار برشي است . ارتعاش در سيستم ماشينکاري باعث کاهش طول عمر ابزار و کاهش کيفيت سطح مي شود. از ديگر عوامل موثر بر کيفيت سطح مي توان به ويژگي هندسه ابزار و پارامترهاي ماشينکاري که شامل سرعت برش، عمق براده برداري و نرخ پيشروي مي باشد، اشاره کرد.
٢. روش و پروسه آزمايش :
آزمايشهاي انجام شده، قطعه ي کار، ابزار و تجهيزات بکار برده شده در زير ليست شده است .
قطعه کار: قطعه استوانه اي شکل اينکونل ٧١٨ با قطر ٥٠ ميليمتر به ضخامت ٥٠ ميليمتر.
ابزار برش : اينزرت مثلثي شکل کاربايدي پوشش شده به روش نانو PVD، با شعاع گوشه ٠.٨ ميليمتر (NN ٢٢٠٤٠٨ TNMG)
نگهدارنده ابزار: M٢٠ ٢٥٢٥ MTJNR
دينامومتر: دينامومتر به کار رفته در اين تحقيق از نوع پيزوالکتريک بوده و قادر به اندازه گيري نيروها در سه جهت عمود بر هم ( پيشروي، شعاعي و برشي ) مي باشد. قبل از آزمايش از صفر بودن نيروهاي وارد به دينامومتر اطمينان حاصل مي شود تا کليه آزمايش ها در شرايط يکسان انجام شده باشند. (مدل KISTLERB٩٢٥٧ ). شکل ٣ نمونه اي از نمودارهاي بدست آمده از دينامومتر را نشان مي دهد. همان طور که ملاحظه مي کنيد نيروي برشي (Fx) از نيروي پيشروي (Fy) و نيروي شعاعي ( F) بيشتر است . نيروها از قسمتي که نمودار پايدار شده است ، ميانگين گرفته مي شود.
سيگنال هاي ارسال شده از کريستال هاي پيزو الکتريک ، بسيار ضعيف و در 12حد ١٠×٢ کولن بر نيوتن مي باشد که براي تقويت آن ها از يک آمپلي فاير استفاده شده است . براي پردازش سيگنال هاي خروجي آمپلي فاير از کامپيوتر استفاده شده است .
زبري سنج : پس از ثبت نيروهاي ماشينکاري به کمک دينامومتر، با استفاده از يک زبري سنج ، زبري ميانگين سطوح ماشينکاري در سه نقطه از قطعه کار اندازه گيري شده و ميانگين مقادير زبري متوسط ثبت شده است . زبري سنج مورد استفاده به نام Perthometer M٢ ، قابل حمل بوده و ساخت شرکت Mahr آلمان مي باشد. اين دستگاه براي اندازه گيري زبري بايد مسافتي به طول ٥.٦ ميليمتر از قطعه کار را لمس کند. استاندارد اندازه گيري زبري بر اساس استاندارد ٣٢٧٤:١٩٩٨ DIN END انتخاب شده است .
نحوه انجام آزمايش :
ندحوآهز امنايجاش م آهزامايش ما:شينکاري که براي توليد قطعه انجام مي شود، وسايلي که معمولا به طور ثابت در فرآيند استفاده مي شوند را بايد به کار برد. سه نظام و اسپيندل بايد در جاي خود استوار بوده و به خوبي بالانس شده باشند(براي ارزيابي روش بالانس کردن به استاندارد ١-١٩٤٠ ISO مراجعه شود).
تجزيه و تحليل آماري نتايج آزمايش ها و معرفي شرايط بهينه ماشينکاري :
روند تاثير پارامترهاي ماشينکاري بر نيروهاي ماشينکاري پس از مشخص شدن پارامترهاي تاثيرگذار بر نيروهاي ماشينکاري و زبري سطح ، قدم بعدي اطلاع از روند تاثير پارامترهاي ماشينکاري خواهد بود. با افزايش سرعت برش، نيروي برشي و در نتيجه انرژي مخصوص تراش کاهش مي يابد. افزايش سرعت برش مساحت صفحه برش و يا بهتر بگوييم حجم ناحيه تغيير شکل اوليه کاهش يافته (Ø زاويه صفحه برش افزايش پيدا مي کند) لذا انرژي مخصوص کمتري صرف برداشتن براده مي گردد. همچنين با افزايش سرعت برشي نيروي اصطکاک روي سطح قلم نيز کاهش يافته و باعث کاهش نيروي ماشينکاري مي گردد.
