بخشی از مقاله
چکیده
در حال حاضر، برخی از قطعات انرژی اتمی، تجهیزات پزشکی، اجزای هواپیما و دیگر صنایع پیشرفته نیازمند تولید قطعاتی با صافی سطح بسیار بالا و عاری از عیوب سطحی میباشند. جهت پاسخگویی به این نیازها، پرداخت کاری ساینده مغناطیسی - Magnetic Abrasive - Finishing که یکی از فرآیندهای پیشرفته پرداخت کاری میکرو - نانومتری میباشد، رشد و توسعه یافته است. در این مقاله، سطوح بیرونی قطعات استوانهای از جنس فولاد زنگ نزن 440C به عنوان قطعه کار انتخاب گردید و اثر پارامترهای ورودی از قبیل گپ کاری، سرعت دورانی قطعه کار و تزریق دوغاب ساینده بر زبری سطح مورد بررسی قرار گرفته است. برای انجام آزمایشها مکانیزمی طراحی و ساخته شد . پودر فرو مغناطیس - پودر آهن با متوسط اندازه ذره 150 میکرومتر - پس از ترکیب شدن با پودر ساینده - کاربید سیلیسیم با متوسط اندازه ذره 5/5 میکرومتر - و با درصد معینی از روغن SAE 40 به عنوان ابزار ساینده استفاده شده است. نتایج آزمایشات حاکی از این است که گپ کاری و سرعت دورانی قطعه کار تأثیر بسزایی در بهبود زبری سطح دارند. همچنین تزریق دوغاب ساینده کاربید سیلیسیم زبری سطح را تا %29 بهبود بخشیده است؛ اما از طرفی، تزریق دوغاب ساینده کاربید سیلیسیم با قطعه کار واکنش شیمیایی میدهد و روی بافت سطح قطعه کار پرداختشده لایههای اکسید با اندازههای مختلفی تشکیل میگردد. برای نشان دادن تغییرات حاصل از این فرآیند، با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - از بافت سطح قطعه کار قبل و بعد از فرآیند تصاویری گرفته شده است.
واژههای کلیدی
پرداخت کاری ساینده مغناطیسی، فولاد زنگ نزن 440C، تزریق دوغاب ساینده، زبری سطح
مقدمه
پرداخت کاری ساینده مغناطیسی - MAF - 1 یک تکنولوژی جدید در پرداخت سطح است. بیشتر برای پرداخت قطعات مکانیکی که محدودیت شکل دارند میتواند به کار گرفته شود. توسط فرآیند MAF زبری سطح تا 0/1 میکرومتر میتواند به راحتی در چند دقیقه بهبود یابد و یک سطح پرداخت بدون عیوب سطحی و میکرو ترکها تولید نماید. علاوه بر این، فرآیند MAF دارای مزایای بسیاری از جمله، خود تیز شوندگی، خود سازگاری و قابلیت کنترل ابزار پرداخت کاری است . [1-2] یکی از مهمترین مزیتهای این فرآیند نبست به فرآیندهای پرداخت کاری سنتی این است که ذرات ساینده ما بین سطح قطعه کار و قطب مغناطیسی قرار میگیرد و به سطح قطعه کار نیروی فشاری وارد میکنند که برداشت ماده به صورت برادههای ریز انجام میشود؛ اما در پرداخت کاری سنتی ذرات ساینده را با استفاده از چسب و یا دیگر روشها به هم متصل میشوند، ذرات ساینده به سطح قطعه کار کشیده میشوند و نیروی برشی وارد میکنند که سبب برداشت ماده به صورت لایههای جدا از هم میشود .[3]
وی کی جین2 و همکارانش، در سال 2001 میلادی، تأثیر پارامترهای گپ کاری و سرعت محیطی قطعه کار در فرآیند پرداخت کاری ساینده مغناطیسی بر روی سطوح بیرونی لولههای استوانهای از جنس فولاد زنگ نزن تحقیق نمودند. آنها برای انجام آزمایشها مکانیزمی طراحی و ساختند و آن را بر روی دستگاه تراش نصب کردند. آزمایشها بر پایه اتصال ضعیف انجام شد یعنی ذرات آهن - با مش 300 و اندازه 51/4 میکرومتر - و ذرات ساینده اکسید آلومینیوم - با مش 600 و اندازه 25/7 میکرومتر - با مقداری روان کار بنام Servospin-12 مخلوط کردند. نتایج آزمایشها حاکی از این است که گپ کاری و سرعت محیطی قطعه کار اثر قابلتوجهی روی پارامترهای نرخ برداشت ماده و تغییرات زبری سطح خواهند داشت. با افزایش گپ کاری و کاهش سرعت محیطی قطعه کار نرخ برداشت ماده کاهش مییابد. آنها همچنین دریافتند با افزایش سرعت محیطی قطعه کار تغییرات زبری سطح افزایش مییابد .[4]
راهل مالیک3 و پالک4، در سال 2010 میلادی، فرآیند MAF را با فرآیند آلتراسونیک ترکیب کردند و فرآیند جدیدی بنام پرداخت کاری ساینده مغناطیسی به کمک آلتراسونیک - UAMAF - 5 ابداع نمودند. آنها توانستند با استفاده از فرآیند UAMAF یاتاقان ضد اصطکاکی فولادی با کربن بالا - AISI 52100 - دارای سختی - HRC - 61 به طور موفقیتآمیزی توسط پرداخت کاری ساینده غیر متصل پرداخت نمودند و به زبری سطح 22 نانومتر در 80 ثانیه دست پیدا کردند. آنها مقایسهای بین پرداخت کاری با فرآیند UAMAF و فرآیند MAF انجام دادند. برای انجام مقایسه بین این دو فرآیند آزمایشهای انجام و تنظیم گردید. با استنتاج نتایج آزمایشها مشاهده نمودند که فرآیند UAMAF دارای خواص پرداخت کاری بهتری در مقایسه با فرایند MAF است. این امر به دلیل، ارتعاش آلتراسونیک است که در قطعه کار القاء میشود. در ماشینکاری آلتراسونیک هیچ سایش ابزاری وجود ندارد. ارتعاشات آلتراسونیک سبب از بین رفتن لبههای برشی تولیدشده میشود و در حین فرآیند پرداخت میشود. درحالیکه نمیتوان با استفاده از فرایند MAF آن را به طور کامل حذف کرد.[5]
یکی از مواردی که در ارتباط با این فرآیند در داخل کشور حتی در سطح بینالمللی، به آن پرداخته نشده، تأثیر فرایند MAF بر روی فولادهای زنگ نزن ساختار مارتنزیتی است؛ بنابراین این پژوهش در نظر دارد پارامترهای تأثیرگذار در فرآیند MAF از قبیل گپ کاری، سرعت دورانی قطعه کار و تزریق دوغاب ساینده کاربید سیلیسیم به وسیله آزمایش بر روی سطوح بیرونی قطعات استوانهای از جنس فولاد زنگ نزن AISI 440C برای رسیدن به کمترین زبری سطح ممکن بررسی کند.
تئوری فرآیند MAF
شکل 1 توزیع میدان مغناطیسی و نیروی مغناطیسی اعمالشده به یک ذره فرو مغناطیس در پرداخت کاری سطوح بیرونی قطعات استوانهای را نشان میدهد . نیروهایی مغناطیسی بر روی ذرات ساینده و ذرات فرو مغناطیس اثر میگذارند در موقعیت - - A - - که خارج از گپ کاری است نیروهای وارد بر یک ذره را نشان میدهد :[6]
نیروی مغناطیسی عامل تحریک ذرات ساینده است تا آنها را در پرداخت کاری قطعه کار شرکت نماید. نیروی برشی در امتداد خطوط نیروی مغناطیسی بر ذرات ساینده وارد میشود و عامل اصلی نفوذ در قطعه کار است که عملیات براده برداری را انجام میدهد. در معادلههای - 1 - و - 2 - آشکار است که نیروهایی مغناطیسی هم با حساسیت و حجم ذرات فرو مغناطیس هم با مقاومت میدان مغناطیسی و گرادیان متناسب هستند. نیروی مغناطیسی ارائه شده در معادلههای - 1 - و - 2 - نه تنها بر روی ذرات فرو مغناطیس در گپ کاری تمرکز نمیکند بلکه باعث بهتر شدن مقاومت میدان مغناطیسی میشود، همچنین از پا شش ذرات فرو مغناطیس به علت چرخش قطعه کار جلوگیری میکند. ذرات مغناطیسی در امتداد خطوط نیروی مغناطیسی بین قطبهای آهنربا به طور مغناطیسی به یکدیگر متصل شده و برس ساینده مغناطیسی انعطافپذیر6 - FMAB - را تشکیل میدهند؛ که باعث ایجاد فشار بر روی سطح قطعه کار میشود . این فشار بر روی ساینده کاربید سیلیسیم اعمال میشود که ذرات فرو مغناطیس را تحت فشار قرار میدهد به منظور تولید سایش ایجاد میگردد. ساینده کاربید سیلیسیم نمیتواند به تنهایی عمل برش را انجام دهد مگر اینکه فشار سایشی را توسط ذرات فرو مغناطیس دریافت کند. معادله - 3 - فشار را به صورت زیر نشان میدهد :[6]
نیرویهای که عامل تحریک ذرات فرو مغناطیس میباشند در نزدیکی سطح قطعه کار در موقعیت - - B - - در شکل 1 نشان دادهشدهاند. با توجه به چرخش قطعه کار، یک مقاومت برشی ، بر روی ذرات فرو مغناطیس جهت مماسی حرکت دورانی قطعه کار خواهد بود، به وجود میآید. علاوه بر این، با توجه شدت مقاومت میدان مغناطیسی در گپ کاری، بر روی ذرات فرو مغناطیس نیروی نرمالی به وجود میآید که این نیرو سبب نفوذ در قطعه کار میشود، درحالیکه یک نیروی مغناطیسی، به طور همزمان در خلاف جهت مقاومت برشی بر روی ذرات فرو مغناطیس عمل خواهد کرد. نیروی مغناطیسی از پراکنده شدن ذرات فرو مغناطیس در گپ کاری جلوگیری میکند که تضمین میکند عملیات پرداخت کاری با موفقیت انجام بگیرد.
در میان ساینده مغناطیسی غیر متصل، ساینده کاریبد سیلیسیم وظیفه برش اولیه را دارد و ذرات فرو مغناطیس برش ثانویه را انجام میدهند . اگرچه، کاریبد سیلیسیم حاوی ذرات فرو مغناطیس نیست، بنابراین فشار لازم برای سایش ساینده کاریبد سیلیسیم از ذرات فرو مغناطیس گرفته میشود. بر این اساس، رفتار حرکت ذرات فرو مغناطیس تأثیر بسزایی بر روی عملیات پرداخت کاری خواهد داشت. وقتی نیروی مغناطیسی بزرگتر از مقاومت برشی باشد، ذرات فرو مغناطیس یک برش منظمی بر روی سطح کاردارند همچنین انتقال فشار سایشی به زیر ساینده کاریبد سیلیسیم انجام خواهد شد. بهر حال، اگر قطعه کار از سختی بالایی برخوردار باشد، اثر برشی ذرات فرو مغناطیس کاهش مییابد و روی سطح کار لغزش ایجاد میکنند. همچنین، وقتی نیروی مغناطیسی کوچکتر از مقاومت برشی باشد، ذرات فرو مغناطیس بر روی سطح کار غلتیده خواهند شد؛ اما وقتی نیروی مغناطیسی خیلی کوچک باشد، ذرات فرو مغناطیس از گپ کاری به بیرون پاشیده خواهند شد.
شرایط آزمایشها و آزمایشهای تجربی
در این مطالعه، به منظور پرداخت کاری سطوح بیرونی قطعات استوانهای توسط فرآیند MAF ، تأثیر گپ کاری، سرعت دورانی قطعه کار و تزریق دوغاب ساینده بر بهبود زبری سطح مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور، طراحی بر اساس روشی که قطعه کار دارای حرکت دورانی و آهنرباها دارای حرکت خطی باشند، انجام شد. حرکت خطی آهنرباها با توجه به مکانیزمی طراحیشده قابل تنظیم بوده این کار سبب کنترل و قابل تنظیم بودن فاصله بین قطعه کار و آهنرباها میشود. همچنین حرکت دورانی قطعه کار توسط یک دستگاه تراش تولید گردید. به منظور موقعیت دهی صحیح قطعه کار در حوزه میدان مغناطیسی تولیدشده، فیکسچری طراحی و ساخته شد. همچنین به منظور نگه داشتن آهنرباها با ابعاد مشخص و موقعیت دهی مناسب آهنرباها نسبت به قطعه کار دو عدد فیکسچر طراحی و ساخته شده است. این فیکسچرها با توجه به ابعاد آهنرباهای دائم و ابعاد قطعه کار طراحی شده است. برای جلوگیری از انحراف خطوط میدان مغناطیسی در ناحیه پرداخت کاری باید برای ساخت تجهیزات از مواد غیر مغناطیسی استفاده شود. بدین منظور از صفحات تفلون و گرده آلومینیوم استفاده شد. برای بهبود کیفیت سطح پرداخت، دوغاب ساینده7 که حاوی ذرات ساینده کاریبد سیلیسیم با آب است، در طی پرداخت کاری تزریق گردید. علاوه بر این، دوغاب ساینده باعث خنک شدن سطح پرداخت کاری شده و نیروهای اصطکاک را کاهش میدهد و همچنین تکمیلکننده در این مطالعه، با بررسی مواد گوناگون و مغناطیسی، از فولاد زنگ نزن AISI 440C استفاده شده است. این فولاد در ساخت یاتاقانها، نازلها، قطعات سایشی پمپهای هواپیما - شیرهای اسپول اسلیو - ، قالب اینسرت ها، تجهیزات پزشکی - ابزارهای جراحی - و ... بهکاربرده میشود. آنالیز شیمیایی این فولاد از طریق آزمون با دستگاه کوانتومتری در جدول 1 آورده شده است.
جدول :1 ترکیب شیمیایی فولاد زنگ نزن AISI 440C، گزارششده توسط دستگاه کوانتومتری
در این مطالعه، برای انجام آزمایشها از ساینده مغناطیسی غیر متصل که مخلوطی از ذرات فرو مغناطیس و ذرات ساینده کاریبد سیلیسیم با مقدار معینی از روغن SAE 40 است، مورد استفاده قرار گرفته است. اضافه کردن روغن علاوه بر خنک کاری از طریق ویسکوزیته آن، وظیفه اصلی آن چسباندن ذرات فرو مغناطیس به ساینده کاریبد سیلیسیم است. علاوه بر آن، در طی پرداخت کاری از پراکندگی ساینده کاریبد سیلیسیم جلوگیری میکند. همچنین
