بخشی از مقاله
بررسی عمر ابزار در فرآیند فرز کاري به کمک ارتعاشات آلتراسونیک
چکیده
اکثر فرآیندهاي ماشینکاري، به طور ذاتی همراه با فرسایش ابزار هستند. این فرسایش منجر به معیوب شدن ابزار برشی می گردد. همچنین این فرسایش فاکتوري مهم و تاثیر گذار بر روي کیفیت سطح قطعه کار، نیروها و اقتصاد ماشینکاري است. در ماشینکاري برخی از مواد به روش سنتی محدودیت هایی مثل فرسایش سریع تر ابزار برشی و نیروهاي زیاد ماشینکاري وجود دارد. به همین علت در سال هاي اخیر روش جدید ماشینکاري با عنوان ماشینکاري به کمک ارتعاشات آلتراسونیک به وجود آمده است. این روش ماشینکاري حاصل تلفیق ارتعاشات آلتراسونیکی با فرآیندهاي ماشینکاري است و در بسیاري از فرآیندها از جمله تراشکاري، سوراخکاري، سنگ زنی و ... مورد استفاده قرار می گیرد. از مزایاي برش به کمک ارتعاشات آلتراسونیکی در فرآیندهاي تحقیق شده تا زمان حاضر می توان دقت بالاي قطعات تولیدي، افزایش صافی سطح، کاهش نیروها، کاهش حرارت تولید شده در منطقه برش و در نهایت افزایش عمر ابزار را نام برد. هدف از این مقاله مقایسه عمر ابزار در فرآیندهاي فرزکاري آلتراسونیکی و فرز کاري سنتی است . براي انجام آزمایش ها، ارتعاشات آلتراسونیکی به صورت یک بعدي به قطعه کار فولادي اعمال شده و با تغییر سرعت برشی در هر دو فرآیند، مقدار پهناي سایش در سطح آزاد ابزار برشی بدست آمد. نتایج نشان دادند که با افزودن ارتعاش به فرآیند فرزکاري، عمر ابزار در سرعت هاي برشی بالا افزایش می یابد.
واژههاي کلیدي: فرزکاري آلتراسونیکی- فرسایش ابزار- عمر ابزار
-1 مقدمه
ماشینکاري به کمک ارتعاشات آلتراسونیک، روشی از ماشینکاري است که در آن ارتعاشات با دامنه کوچک و فرکانس بالا به حرکت ابزار برشی یا قطعه کار اضافه می شود.[1] این ارتعاشات در یک یا دو بعد به فرآیند ماشینکاري اضافه می شوند. در سال هاي اخیر از این روش براي بهبود فرآیندهاي سنتی ماشینکاري از جمله سوراخکاري، تراشکاري و سنگ زنی ومخصوصاً براده برداري از مواد چسبنده مثل فولادهاي آستنیتی، سوپر آلیاژهاي کبالت و نیکل، آلیاژهاي تیتانیوم و آلیاژهاي آلومینیوم استفاده شده است.[2] با انتخاب مناسب سرعت برشی، دامنه و فرکانس ارتعاشات، ابزار به صورت دوره اي تماسش را با قطعه کار، براده و یا هر دو قطع می کند.[1] در مطالعات تئوري، نسبت تماس میان ابزار و قطعه کار نقش مهمی در فرآیند بازي می کند.[3] در صورت افزایش دامنه و فرکانس ارتعاشات و کاهش سرعت برشی این نسبت کاهش می یابد. در این حالت نیروي برشی و فرسایش ابزار کاهش یافته، کیفیت سطح بهبود
می یابد و عمر ابزار طولانی تر می شود.
از مزایاي ماشینکاري به کمک ارتعاشات، افزایش عمر ابزار است. این روش ماشینکاري به طور قابل توجه عمر ابزار را در مقایسه با روش هاي سنتی ماشینکاري افزایش می دهد. نوع تنش، مقدار تنش و دماي اعمال شده به ابزار، از عوامل تاثیر گذار بر روي عمر ابزار هستند.[2]
ماشینکاري به کمک ارتعاشات عمر ابزارهاي الماسه را در ماشینکاري فلزات آهنی و سخت در مقایسه با روش هاي سنتی افزایش می دهد. ماشینکاري سنتی مواد آهنی توسط ابزار الماسه به علت فرسایش زیاد ابزار اقتصادي نیست. همچنین نرخ فرسایش ابزار الماسه هنگام برشکاري مواد سخت مثل تیتانیوم و نیکل افزایش می یابد. به نظر می رسد دلیل اصلی فرسایش ابزارهاي الماسه در ماشینکاري فلزات آهنی، مکانیزم هاي ترموشیمیایی است. وقتی الماس در دماهاي بالاتر از 1000 درجه کلوین در تماس با آهن یا فولاد قرار می گیرد، با هم واکنش داده و پیوند میان
کربن-کربن در لایه هاي سطحی الماس شکسته می شود. کربن آزاد شده ممکن است به قطعه کار نفوذ کند، با اکسیژن محیط واکنش دهد و یا با اکسیژن قطعه کار واکنش دهد و باعث فرسایش تدریجی ابزار شود. در ماشینکاري آلتراسونیکی به دلیل تماس متناوب میان ابزار و قطعه کار، زمان براي انجام واکنش ها و گرافیته شدن ابزار کمتر است. همچنین دماي کمتر در ماشینکاري آلتراسونیکی نسبت به روش هاي سنتی باعث کاهش نرخ فرسایش ابزار می شود.[1]
ماشینکاري آلتراسونیکی عمر ابزار را در ماشیکاري مواد ترد نیز افزایش می دهد. با انتخاب مناسب پارامترهاي برشی و ارتعاشی، فرآیند برشکاري به صورت داکتیل انجام می شود. برشکاري داکتیل باعث کاهش بارهاي دینامیکی (ناشی از تشکیل براده ناپیوسته در برش مواد ترد) روي لبه برش شده و این موضوع یکی از مکانیزم هاي فعال در کاهش فرسایش ابزار است.[4]
هسو و همکارانش فرزکاري سوپر آلیاژ پایه نیکل MAR-M247 را در ماشینکاري به کمک حرارت و ارتعاشات آلتراسونیک، مورد مطالعه قرار دادند و نشان دادند که گرم کردن قطعه کار و استفاده از سرعت هاي برشی پایین باعث کاهش فرسایش ابزار در سطح آزاد می شود.[5]
چاندرا و رحمان تاثیر پارامترهاي تراشکاري را در ماشینکاري آلتراسونیکی Inconel 718 توسط ابزار CBN بررسی کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که در سرعتهاي برشی پایین نرخ فرسایش ابزار در ماشینکاري آلتراسونیکی ناچیز و قابل صرف نظر کردن است ولی در سرعتهاي برشی بالا به علت افزایش نسبت تماس میان ابزار و قطعه کار، نوك ابزار و لبه برش به طور فاجعه بار فرسوده می شوند.[3]
جیو و همکارش یک میز کار براي اعمال ارتعاش در دو بعد به قطعه کار طراحی کردند. آنها از این میز کار براي فرزکاري میکرونی آلیاژ آلومینیوم استفاده کردند و متوجه شدند که در صورت استفاده از دامنه ارتعاشات زیاد و مقادیر مناسب فرکانس، عمر مؤثر ابزار افزایش می یابد.[6]
اوورکش و همکارش درجه حرارت ابزار را در تراشکاري آلتراسونیک مدلسازي کردند. با توجه به این که فرکانس، دامنه و سرعت قطعه کار روي سرعت برشی مؤثر هستند و سرعت برش روي دما تاثیر گذار است، پس پارامترهاي فوق بر روي دماي ابزار نیز تاثیر گذار هستند. نتایج حاصل از این مدلسازي نشان داد که دما به صورت خطی با افزایش سرعت قطعه کار افزایش می یابد و با افزایش فرکانس، دما کاهش می یابد. در سرعت هاي پایین قطعه کار، اثر دامنه ارتعاشات از دو پارامتر دیگر تاثیر می پذیرد. این اثر به خاطر سرعت برشی، زمان جدایش میان ابزار و قطعه کار و مدت زمان برش است. با افزایش دامنه ارتعاشات، سرعت برشی و در نتیجه دماي برش افزایش می یابد. به هر حال بر اساس مدت زمان جدایش و مدت زمان برش، این موضوع می تواند تغییر کند. چنانچه در سرعتهاي بالاي قطعه کار دامنه ارتعاشات کاهش یابد، زمان جدایش کاهش می یابد و این باعث می شود که مدت زمان گرم شدن ابزار افزایش یافته و سیکل خنک شدن ابزار کاهش یابد، بنابراین دماي ابزار افزایش می یابد.[7]
فولادهاي زنگ نزن آستنیتی به طور وسیع در صنایع غذایی، صنایع شیمیایی و جاهایی که احتیاج به مقاومت خوردگی زیاد است استفاده می شوند. از مشخصه هاي این فولادها، نرخ کار سختی زیاد، هدایت حرارتی پایین، استحکام بالا و قابلیت ماشینکاري پایین آنها است. فرسایش زیاد ابزار برش و سطح پایانی نامطلوب از مشکلات ماشینکاري این نوع از فولادها است. کار سختی زیاد فولادهاي زنگ نزن آستنیتی دلیل اصلی قابلیت ماشینکاري پایین آنها است. کرکوت و همکارانش پارامترهاي برشی بهینه را هنگام ماشینکاري فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 304 تحقیق کردند. آنها متوجه شدند با افزایش سرعت برشی تا حدود 180m/min مقدار پهناي فرسایش در سطح آزاد ابزار برشی کاهش می یابد.[8]
هدف از این مقاله مقایسه عمر ابزار در فرآیندهاي فرزکاري آلتراسونیکی و فرز کاري سنتی است که براي انجام آزمایش ها، ارتعاشات آلتراسونیکی به صورت یک بعدي به قطعه کار فولادي اعمال شده و با تغییر سرعت برشی در هر دو فرآیند، مقدار پهناي سایش در سطح آزاد ابزار برشی و به تبع آن عمر ابزار بدست میآید.
-2 آماده سازي آزمایش ها
جنس مورد استفاده در آزمایش ها فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 304 بوده و کلیه آزمایش ها توسط ابزار انگشتی با چهار شیار، قطر 10mm و از جنس HSS انجام شدهاست. به منظور اندازه گیري پهناي فرسایش در سطح آزاد ابزار از یک میکروسکوپ دیجیتالی با قدرت بزرگنمایی 250 برابر استفاده شد. همه آزمایشها روي ماشین فرز عمودي Deckel مدل FP4 انجام شد. براي اعمال ارتعاشات آلتراسونیکی به قطعه کار از یک ترنسدیوسر 25kHz استفاده شده است. همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود ارتعاشات در یک بعد و در راستاي حرکت پیشروي ابزار به قطعه کار اعمال شد. از ابزار انگشتی براي انجام عملیات بغل تراشی با عمق شعاعی 2mm، عمق محوري 4mm و فرزکاري موافق استفاده شده است.
شکل-1 تنظیم تجربی آزمایش ها
