بخشی از مقاله
روند طراحي و ملزومات فرآيند خنک کاري به شيوه کرايوژنيک با نيتروژن مايع در تراشکاري
چکيده
خنک کاري در پروسه هاي ماشين کاري ، نقش کليدي دارد و بسياري از پروسه ها بدون خنک کاري قابل اجرا نيستند.
استفاده از خنک کاري در پروسه ماشين کاري مي تواند عمر ابزار و دقت ابعادي را افزايش ، دماي برش و زبري سطح و توان مصرفي را کاهش دهد که نتيجتاً باعث افزايش بهره وري مي شود. علم کرايوژنيک به بررسي و استفاده از مواد در دماهاي بسيار پايين (زير C°-) مي پردازد. نقطه جوش نرمال گازهايي مثل هليوم ، هيدروژن ، نئون ، نيتروژن و اکسيژن به عنوان مخلوط سرمازا به زير C° ١٨٠- مي رسد. استفاده از نيتروژن مايع (LN٢) در علم کرايوژنيک بيشتر از ساير عناصر، مرسوم است . خنک کاري کرايوژنيک به دليل قابليت آن در بهبود قابل توجه عمر ابزار و پرداخت سطح از طريق کاهش سايش ابزار و کنترل دماي ناحيه برش ، به عنوان يکي از مطلوب ترين روش ها شناخته شده است . اين روش در ماشين کاري کامپوزيت ها، آلياژهاي پر استحکام و سوپر آلياژهاي مورد استفاده در صنايع هوا فضا که ميزان حرارت توليد شده در ناحيه برش بسيار بالا است مورد استفاده قرار مي گيرد. مقاله حاضر به بررسي خنک کاري کرايوژنيک با استفاده از نيتروژن مايع ، روش هاي رايج و نقاط ضعف و قوت آنها و همچنين تاثير آن بر ابزار و قطعه کار در تراشکاري مي پردازد.
واژه هاي کليدي : خنک کاري کرايوژنيک - نيتروژن مايع - تراشکاري
۱- مقدمه
امروزه دستيابي همزمان به حداکثر نرخ براده برداري ، صافي سطح و دقت ابعادي ممکن ، به منظور دستيابي بـه حـداکثر رانـدمان و کـاهش هزينه توليد قطعات ، امري بسيار ضروري به شمار مي رود. از طرفـي شـرايط کـاري و خـواص فيزيکـي و مکـانيکي ابزارهـا در فرآينـدهاي ماشينکاري ، تأثير بسزايي در دستيابي به کيفيت پايدار قطعات و کنترل هزينه هاي توليد دارند. بـراي مثـال ماشـينکاري سـوپر آلياژهـا بـا استفاده ازروش هاي سنتي به دليل بالا بودن نرخ فرسايش ابزار که مانع از افزايش راندمان توليد مي شود، امري غير اقتـصادي خواهـد بـود.
حتي در برخي از موارد مانند ماشينکاري کامپوزيت ها با شبکه فلزي ، به علت نرخ بسيار بالاي فرسايش ابزار، امکان ماشينکاري با اسـتفاده از روش هاي سنتي وجود ندارد. در واقع بالا بودن نرخ حرارت توليد شده در ماشينکاري اين مواد که موجب بالا رفتن سريع دما در ناحيـه برش مي شود، عامل اصلي بروز مشکل در ماشينکاري اين مواد به شمار مي رود.اين دماي بسيار بالا حتي در برخي از مـوارد موجـب تغييـر ميکروساختار و ترکيب شيميايي قطعه کار مي گردد. در واقع به دليل بالا بودن ميزان انرژي مـصرف شـده در ماشـينکاري آلياژهـاي داراي استحکام بالا در مقايسه با مواد با استحکام متوسط و پايين ، ميزان حرارت توليد شده در ماشينکاري اين آلياژهـا نيـز بيـشتر خواهـد بـود.
علاوه بر اين ، پايين بودن ضريب هدايت گرمايي اين آلياژها نيز عامل ديگري است که موجـب تـشديد نـرخ افـزايش دمـا در ناحيـه بـرش مي شود. يکي از روش هايي که جهت ماشينکاري سوپر آلياژها و مواد با استحکام بالا ارائه شده است ، پيش گرم کردن اين قطعات به منظور کاهش استحکام آنها و سپس ماشينکاري اين مواد است . نتايج حاصل از تحقيقات انجام شده نشان مي دهد که پيش گرم کردن قطعـه کـار در مقايسه با افزايش استحکام ابزار، نقش موثرتري بر روي قابليت ماشينکاري قطعه کار ايفا مي کند. هرچنـد بکـارگيري ايـن روش موجـب بهبود عمر ابزار و صافي سطح قطعات ميشود، اما غير اقتصادي و غير عملي بودن اين روش ، مانع از بکارگيري ايـن روش در صـنعت شـده است .
کاهش دما در ناحيه برش ، روش ديگري است که به منظور بهبود قابليت ماشينکاري سوپر آلياژها و مواد با استحکام بالا پيشنهاد شده است . نتايج حاصل از بکارگيري اين روش ، ميزان توانايي آن را در بهبود قابليت ماشينکاري اين مواد به اثبات رسانده است ؛ به طوري که اين روش به عنوان موثرترين و عملي ترين روش جهت بهبود قابليت ماشينکاري اين مواد شناخته شده است . بکارگيري سيال برشي تحت فشار بالا، يکي از روش هاي موثر جهت کاهش دماي ناحيه برش به شمار مي رود. نتايج حاصل از تحقيقات انجام شده نشان داده است که افزايش فشار سيال و بکارگيري آن در جهت مناسب مي تواند موجب بهبود عمر ابزار گردد. در واقع بکارگيري سيال برشي تحت فشارنه تنهاموجب کاهش نيروهاي ماشينکاري و دماي ناحيه برش مي گردد، بلکه مي تواند ميزان مصرف سيالات برشي را نيز تا ٥٠% کاهش دهد. هر چند که بکارگيري سيال برشي تحت فشار موجب افزايش چشمگير عمر ابزار و کيفيت سطح قطعات توليد شده مي گردد، اما مشکلاتي را نيز به همراه دارد. از اين جمله مي توان به مشکلات زيست محيطي به وجود آمده به علت دفع نامناسب اين سيالات اشاره کرد.
همچنين هزينه هاي اضافي ناشي از بازيافت و دفع اين سيالات نيز از ديگر مشکلات آنها به شمار مي رود[١].
امروزه به علت دشوار شدن قوانين زيست محيطي و افزايش هزينه هاي مربوط به بازيافت و دفع سيالات برشي ، استفاده از اين سيالات بيش از پيش مورد ترديد قرار گرفته است . وجود اين مشکلات و مشکلات ديگر ناشـي از بکـارگيري سـيالات برشـي موجـب افـزايش توجـه بـه روش هاي ديگر از جمله بکارگيري گازها با دماي بسيار پايين به منظور کاهش دماي ناحيه برش شده است . هرچند قابليت روانکـاري ايـن سيالات بسيار اندک است ، اما به دليل دماي بسيار پايين ،قابليت خنـک کـاري بـسيار بـالايي دارنـد. بنـابراين بکـارگيري ايـن سـيالات در ماشينکاري با راندمان بالا و ماشينکاري سوپر آلياژها که ميزان حرارت توليد شده در ناحيه برش بسيار زياد است مي تواند بـا کـاهش مـوثر حرارت توليد شده ، موجب افزايش قابليت ماشينکاري اين آلياژها گردد.
هرچند بکارگيري اين روش موجب کاهش ميزان حرارت توليد شده در ناحيه برش نخواهد شد، اما مي تواند با دفع مؤثر حرارت توليد شده ، دماي ناحيه برش را کنترل کند. کنترل دماي ناحيه برش نيز مي تواند موجب بهبود عمر ابزار و کيفيت سطح قطعات شده و ميزان انحـراف ابعادي قطعات را کاهش دهد[٢].
با توجه به اهميت موضوع ، اين تحقيق به بررسي خنک کاري کرايوژنيک با استفاده از نيتروژن مايع ، روش هاي رايج و نقـاط ضـعف و قـوت آنهاو همچنين تاثير آن بر ابزار و قطعه کار در تراشکاري مي پردازد.
خنک کاري کرايوژنيک
علم کرايوژنيک ( برودت شناسي ) به بررسي و استفاده از مواد در دماهاي بسيار پايين (زيـر °C ١٥٠-) مـي پـردازد. نقطـه جـوش نرمـال گازهاي پايدار مثل هليوم ، هيدروژن ، نئون ، نيتروژن ، اکسيژن ، به عنوان مخلوط سرمازا به زير °C ١٨٠- مي رسد. گازهـاي کرايوژنيـک در صنايعي مثل الکترونيک ، خودروسازي و صنايع هوا فضا بطور وسيعي به منظور خنک کاري استفاده مي شوند. استفاده از نيتـروژن مـايع در علم کرايوژنيک بيشتر از ساير عناصر، مرسوم است . نيتروژن مايع از طريق تقطير جزء به جزء هواي مايع توليد مي شود و اغلب بـه اختـصار به آن LN٢ گفته مي شود. نيتروژن در دماي °C ٢١٠.٠١- ذوب مي شود ودر دماي °C ١٩٨.٧٩- به جوش مي آيـد. فـراوان تـرين گـاز است که در حدود ٧٨.٠٣% حجم اتمسفر را تشکيل مي دهد. از ديگر خصوصيات اين گاز مي توان به بي بو بودن ، بي رنگ بودن ، بي مزه بودن و غير سمي بودن آن اشاره کرد .اين خصوصيات باعث شده که از نيتروژن مايع به عنوان يک خنک کار کارآمد نام برده شود.
کارآيي خنک کاري کرايوژنيک در کاهش موثر گرما در ناحيه برش که باعث بهبود خصوصيات اصطکاکي در سطوح ابـزار و بـراده ميـشود، بوسيله Zhao و Hong تعريف شد.
روش هاي خنک کاري کرايوژنيک
١)پيش سرد کردن قطعه کار
هدف از پيش سرد کردن قطعه کار، تغيير خاصيت مواد از داکتيل به شکننده مي باشد. در هنگام ماشين کاري ، بواسطه پايين بـودن دمـاي قطعه کار، براده داکتيل به براده شکننده تبديل مي شود.
مطالعه اي بوسيله Bhattacharyya و همکارانش انجام گرفت و دو روش را آزمـايش کردنـد؛ در روش اول ميلـه مـورد آزمـايش را در نتيروژن مايع غوطه ور کردند و در روش دوم در هنگام تراشکاري نيتروژن مايع را به طور پيوسته بر روي ميله مورد آزمـايش ريختنـد[٣].
جنس ميله از کامپوزيت KFRP بودآنها متوجه شدند که تکنيـک ريخـتن پيوسـته نتيـروژن مـايع بـر روي ميلـه مـوثرتر از روش ديگـر است .آزمايشات آنهادر محدوده دمايي °C ١٨٥- تا °C ١٩٥- و با دبي L.min ٠.٥- ٠.٤انجام شد. نتيجه اين بود که با کاربرد اين روش سايش خفيفي در لبه برنده اصلي و فرعي مشاهده شد و همچنين پرداخت سطح بهتري نـسبت بـه تراشـکاري در حالـت خـشک بدسـت آمد[٤].
آزمايش ديگري بوسيله Ding و Hong انجام گرفت که در شکل (١) نشان داده شده است . آنها موفقيت قابل توجهي در شکستن براده بوسيله پيش سرد کردن قطعه کار در آلياژ کم کربن فولاد ١٠٠٨ AISI بدست آوردند.
شکل ١- پيش سرد کردن کرايوژنيک قطعه کار[٣]
همچنين Hong و همکارانش يک سيستم تحويل ماده سرمازا را توسعه دادند که در شکل (٢) نـشان داده شـده اسـت . در ايـن سيـستم LN٢ به منظور افزايش قابليت شکنندگي براده ، به سطوح براده رسانده شد. آنها بوسيله تحليل المان محدود اثبات کردنـد کـه روش آنهـا براي آلياژ ١٠٠٨ AISI، دماي شکنندگي براده را تأمين کرده است [٣].
شکل ٢- سيستم رساندن LN٢براي تست شکستن براده [٣]
پيش سرد کردن قطعه کار و قرار دادن قطعه کار در حمام سيال با دماي بسيار پايين در صنعت امري ناممکن بوده و علاوه بـر ايـن موجـب افزايش نيروهاي برشي و نرخ فرسايش ابزار در هنگام ماشينکاري مي گردد. از طرفي بکارگيري جريان سيال با دمـاي بـسيار پـايين کـه در مقايسه با روش هاي ديگر کاربرد بيشتري دارد، موجب هدر رفتن حجم زيادي از سيال مي شود. همچنين از آنجا که امکـان کنتـرل دقيـق سيال در اين روش وجود ندارد، لذا موجب پيش سرد شدن قسمت هاي ماشينکاري نشده قطعه کار و در نتيجه کاهش قابليـت ماشـينکاري آن مي گردد[٢].
٢) خنک کاري کرايوژنيک غير مستقيم
يکي ازروشهاي خنک کاري کرايوژنيک غير مستقيم ، خنک کاري کرايوژنيک پشت ابزار ناميده ميشود. هـدف در ايـن روش ، خنـک کـاري نقطه برش از طريق انتقال گرما از محفظه LN٢ که در سطح ابزار يا هولدر قرار گرفته ، مي باشد.يک روش به وسيله Evans انجام گرفت .او ابزار را بوسيله غوطه ور کردن ساق ابزار در مخزن نيتروژن مايع خنک کرد[٣]. اگر چه روش او باعث کاهش سايش ابزار و بهبـود سـطح شد[٤] ولي روش او براي کاربرد عملي مناسب نبود.
شکل (٣) يک کاربرد آلترناتيو LN٢ بين اينسرت ابزار و لايي فلزي را نشان مي دهد که به منظور سرد کردن سطح پـشتي ابـزار اسـتفاده مي شود[٣].
شکل ٣- کاربردLN٢ در پشت ابزار[٣]
روش ديگر خنک کاري کرايوژنيک غير مستقيم ،استفاده از روش گردش نيتروژن مايع درون حوضچه اي کـه بـر روي بدنـه ابـزار و در زيـر اينسرت تعبيه شده ، ميباشد. در اين روش ، نيتروژن مايع از طريق يک سوراخ به درون حوضچه اي که بر روي بدنه ابـزار و در زيـر اينـسرت ايجاد شده است ، وارد مي شود(شکل (٤)).سپس نيتروژن مايع با جذب حرارت توليد شده در ناحيه بـرش ، بخـار شـده و بـه بيـرون از ابـزار هدايت مي گردد. به اين ترتيب امکان کنترل حرارت توليد شده در ناحيه برش فراهم شده و در عين حال ، از ايجاد تأثير نـامطلوب بـر روي قابليت ماشينکاري قطعه کار جلوگيري مي شود. در اين روش دو طرح به منظور فراهم ساختن امکان خروج نيتـروژن از درون ابـزار پـس از جذب حرارت توليد شده در ناحيه برش ، طراحي و اجرا گرديد و در نهايت نتايج بـه دسـت آمـده از هـر طـرح مـورد بررسـي قـرار گرفـت (شکل (٤)). در طرح I، نيتروژن مايع از طريق سوراخي که در زير لبه برنده اصلي تعبيه شده است ، بـه خـارج ازابـزار هـدايت مـي شـود و موجب کاهش دماي سطح ماشينکاري نشده قطعه کار مي گردد. اما در طرح II، سيال با عبور از سوراخ تعبيه شده در زير لبه برنـده فرعـي ، به سطح ماشينکاري شده قطعه کار برخورد کرده و موجب کاهش دما در اين ناحيه خواهد شد. نتايج حاصل ازبکارگيري اين روش ، توانـايي آن را در بهبود قابليت ماشينکاري قطعه کار به اثبات رساند[٥]. اين روش در تراشکاري فولاد ضـد زنـگ ٣٠٤ SUS مـورد بررسـي قـرار گرفت و افزايشي در حدود ٤ برابر در عمر ابزار مشاهده شد[١]. از طرفي ، مقايسه نتايج حاصل از طرح هاي I و II نشان داد که چنانچه سيال پس از خروج از درون ابزار، به سطح ماشينکاري نشده قطعه کار برخورد کند (طرح I)، به دليل افزايش استحکام و سختي قطع کار، مانع از بهبود قابل توجه قابليت ماشينکاري قطعه کار خواهد شد[٥]. روش سرد کردن غير مستقيم ابزار از طريق هدايت گرمايي در درون ابزار، بـه شدت تحت تأثير ضريب هدايت گرمايي ابزار و فاصله منبع سرد کننده از نوک ابزار قرار دارد، به طوري که نتايج حاصل از آزمايشات انجام شده نشان داده است که اين روش تأثير چنداني بر روي کاهش دما در ناحيه برش ندارد.
شکل ٤- روش گردش نيترژن مايع درون حوضچه زير اينسرت به منظور سرد کردن غير مستقيم ناحيه شکل گيري براده در عمليات تراشکاري [٥]
٣)خنک کاري پاششي کرايوژنيک
در روش ديگري که در ادامه مورد بررسي قرار گرفته است ، از سرد کردن مستقيم ناحيه برش به منظور بهبود قابليت ماشينکاري قطعه کـار استفاده شده است [٢]. هدف از اين روش ، خنک کاري ناحيه برش بويژه سطح مشترک ابزار و براده ، بوسيله استفاده از نازل و نيتروژن مـايع مي باشد[٣]. در اين روش به منظور جلوگيري از سرد شدن قطعه کار و کاهش قابليت ماشينکاري آن ، دبي مورد نياز سيال به دقت محاسـبه شده و سيال دقيقاً به ناحيه برش پاشيده مي شود. بدين منظور نيتروژن مايع از طريق يک نازل که در سطح تماس ابزار و براده شکن ايجـاد شده است ، به ناحيه شکل گيري براده پاشيده مي شود(شکل (٥)).
