بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش نوعی قطعهگیر نوین برای عملیات سنگزنی به کمک ارتعاش فراصوتی، که توانمندی آن را دارد که ارتعاشات خطی یک مبدل پیزوالکتریک را به ارتعاش دوبعدی در قطعهکار تبدیل کند؛ شبیهسازی شده است. برای انجام این پژوهش نوعی قطعه گیر ویژه طراحی شده است که امکان تبدیل ارتعاشات یکبعدی به دوبعدی را فراهم میسازد. در قطعهگیر طراحیشده با استفاده از یک محرک پیزوالکتریک خطی، حرکت دوبعدی دایروی شکل به قطعهکار داده میشود؛ که دلیل آن وجود شکلمودهای ارتعاشی و تغییرات زاویه فاز در محدوده مودهای طبیعی مجموعه فراصوتی، در محدوده فرکانسی معین میباشد. این امر منجر به وجود آمدن حرکت دوبعدی در پی اعمال یک ارتعاش خطی است که توسط مبدل پیزوالکتریک تولید میشود.
در این پژوهش برای به دست آوردن نتایج هر چهبهتر و مطمئن شدن از صحت نتایج بهدستآمده، قطعهگیر طراحیشده در مراحل مختلف مورد تحلیل قرار گرفته است. بدین منظور با استفاده از آنالیز استاتیکی کرنش مجموعه در مقابل بارهای ماشینکاری بررسی میشود. سپس با آنالیز مودال، شکلمودهای ارتعاشی مجموعه و فرکانس طبیعی قطعهگیر به دست میآید. و با آنالیز هارمونیک، جابجاییهای حداکثر و اختلاف زاویهفاز، در قطعهکار در فرکانسهای کاری مختلف به دست میآید.
کلمات کلیدی: سنگزنی ؛ ارتعاش فراصوت دوبعدی ؛ ارتعاش بیضوی ؛ قطعهگیر.× ×
مقدمه
رشد روزافزون صنعت، استفاده از مواد جدید مهندسی را اجتنابناپذیر کرده است. مواد جدید مهندسی دارای خواص فیزیکی و شیمیایی بهبودیافته، ضریب استحکام بالا و مقاومت به سایش زیاد میباشند؛ که همین خواص بهبودیافته منجر به استفاده روزافزون این مواد در صنعت شده و روزبهروز مواد جدید مهندسی کاربردهای متنوعتری پیدا میکنند. ازجمله عواملی که رشد استفاده از مواد جدید مهندسی را به وقفه روبهرو کرده است سختی ماشینکاری این مواد میباشد که هزینههای تولید آنها را بسیار بالا میبرد. ازجمله روشهای تسهیلکننده ماشینکاری که میتوان برای این مواد استفاده کرد؛ سنگزنی به کمک ارتعاش فراصوتی میباشد. ازجمله ویژگیهای برجسته سنگزنی به کمک ارتعاش فراصوتی میتوان به ایجاد قطعات با هندسه پیچیده و دقت ابعادی بالا و کیفیت سطح مناسب اشاره کرد.
علاوه بر این، با استفاده از سنگزنی به کمک ارتعاش فراصوتی میتوان با کاهش نیروی ماشینکاری، انرژی سنگزنی را کاهش داد که این امر میتواند منجر به کاهش دمای ماشینکاری، کاهش ایجاد ترک و دقت ابعادی بهتر شود. [1] در سالهای گذشته از این روش سنگزنی در ساخت ابزارآلات فوق دقیق از فولاد و مواد اپتیک با هندسههای پیچیده و صافی سطح بالا استفاده گستردهای شده است. علاوه بر این، ماشینکاری به کمک ارتعاشات فراصوتی، برای ماشینکاری دقیق قطعات بزرگ که از موادی باقابلیت ماشینکاری پایین نظیر آلیاژهای تیتانیوم، آلیاژهای پایه نیکل، فولادهای با سختی بالا و سرامیکها ساخته میشوند، به خدمت گرفته میشود. همچنین ارتعاشات فراصوت در فرآیندهای مختلف ماشینکاری نظیر تراشکاری، سوراخکاری و سنگزنی مورداستفاده قرار میگیرد و امروزه تلاشهای زیادی در رابطه با گسترش استفاده از این روش در فرآیندهای مختلف صورت میگیرد.[1]
بهطورمعمول رایجترین شیوه برای ایجاد ارتعاشات مکانیکی یکبعدی با فرکانس بالا، استفاده از عملگرهای پیزوالکتریک میباشد. این عملگرها با استفاده از اتصال دیسک پیزوالکتریک که بر رویهم قرار دادهشدهاند؛ تشکیل میشوند. این عملگر پیزوالکتریک را مبدل - ترنسدیوسر - فراصوت نیز مینامند. در این مبدل، دیسکها با اختلاف ولتاژی که توسط یک مولد ولتاژ به دو سر آنها اعمال میشود تحریکشده، و ارتعاش مکانیکی با فرکانس تحریک به وجود میآورند. با توجه به آنکه دامنه ارتعاش تولیدشده توسط مبدل کم میباشد،از قطعه واسطی به نام تمرکزدهنده - هورن - استفاده میشود. هورن علاوه بر متمرکز کردن ارتعاش باعث افزایش دامنه ارتعاش در قطعهکار نیز شود. بدینصورت مبدل به هورن و هورن به قطعهکار متصل میشود.در ایجاد ارتعاشات دوبعدی، همین اصول موردتوجه قرار میگیرد، با این تفاوت که علاوه بر نکات فوق، نکات زیر نیز حائز اهمیت است.
·برای ایجاد ارتعاش دوبعدی با یک محرک باید دو شکل مود مناسب انتخاب گردد و با تنظیم هندسه، سعی در نزدیک کردن فرکانس طبیعی این دو شکلمود به یکدیگر نمود.
· علاوه بر وجود دو شکل مود مناسب با فرکانس طبیعی نزدیک به هم، لازم است حرکت ارتعاشی ایجادشده در این دوشکل مود با یکدیگر دارای اختلاف زاویه فازی نزدیک به 90 باشند.
ما 1و همکارانش با استفاده از دو عملگر پیزوالکتریک بر روی ابزار تراشکاری با مقطع استوانهای - شکل - - - 1 و تحریک عملگرها با اختلاففاز، شکلمود سوم خمشی نگهدارنده ابزار را در دو صفحه متعامد تحریک کردند تا در محل نصب ابزار حرکت بیضوی به وجود آید. روش فوق سادهترین روش برای ایجاد ارتعاش دوبعدی است که در بسیاری از پژوهشهای انجامشده بر روی تراشکاری به کمک ارتعاشات دوبعدی، از آن استفاده شده است.[2]
لی2 و همکارش از نگهدارنده ابزاری - شکل - - 2 - برای ایجاد ارتعاش دوبعدی استفاده کردند . ویژگی اصلی این هورن، ایجاد ارتعاش دوبعدی بهوسیله یک محرک یکبعدی است. او با استفاده از جرم ابزار که خارج از محور تحریک قرار داشت بهنوعی باعث ایجاد یک نامتقارنی بر روی مجموعه شد. با توجه به نامتقارنی ایجادشده و تحریک ابزار در راستای محور نگهدارنده آن، شکل مود ارتعاشات طولی و خمشی بهطور همزمان با یکدیگر تولیدشده و موجب به وجود آمدن حرکت بیضوی شد. هرچند در عمل حرکت به وجود آمده با یک محرک با آنچه در محاسبات بهدستآمده بود اختلاف داشت ولی این روش خود ایده نوینی در ایجاد حرکت دوبعدی بود.[3]لیانگ3 و همکارانش از هورنی مشابه شکل - 3 - برای ایجاد ارتعاش در فرآیند سنگزنی استفاده کردند.
آنها در طراحی این هورن از دو صفحه پیزوالکتریک استفاده کردند و در تحلیل المان محدود انجامشده نشان دادند که هرگاه تحریک دو پیزوالکتریک با یکدیگر همفاز باشند؛ حرکت افقی، هرگاه دو تحریک در فاز مخالف باشند حرکت عمودی و هرگاه دو تحریک اختلاففازی برابر با 90 درجه داشته باشند حرکت دایروی حاصل خواهد شد. همچنین آنان آزمایشی را نیز برای مقایسه جهتهای مختلف ارتعاش در سنگزنی انجام دادند که نتایج آن در شکل - 4 - آمده است [4]همانطور که در پژوهشهای پیشین بهوضوح دیده میشود؛ سنگزنی به کمک ارتعاش فراصوتی نسبت به روشهای پیشین سنگزنی بازدهی و کارامدی بیشتری دارد. هرچند نحوه ارتعاش در اینگونه از سنگزنیها بهگونهای است که عمل سنگزنی بهینه شود؛ اما در این پژوهشها به تولید ارتعاش دوبعدی توسط یک مبدل پیزوالکتریک در جهت بهینهسازی فرایند سنگزنی پرداخته نشده است. در پژوهش پیشرو، قطعهگیری ارائهشده است که در آن توسط یک مبدل پیزوالکتریک، ارتعاش دوبعدی در فرایند سنگزنی ایجاد میگردد.
مراحل طراحی
فرایند طراحی شامل سه بخش میباشد که به ترتیب طراحی قطعهگیر، طراحی هورن و بهینهسازی مجموع این دو میباشد. در این پژوهش، در مراحل مختلف طراحی، از ابتدای انتخاب هندسه اولیه تا انتخاب طرح نهایی، همواره از نرمافزار المان محدود بهصورت موازی با دیگر ابزارهای طراحی استفاده شده است. در مرحله طراحی درمجموع آنالیزهای مودال، استاتیک و هارمونیک در محیط نرمافزار انسیس به کار گرفتهشده است.
