مقاله شبیه سازی سه بعدی فرایند تراشکاری به کمک ارتعاشات اولتراسونیک توسط اجزاء محدود

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله پارامترهای ماشینکاری کار تجربی در نرم افزار اجزاء محدود دفرم اعمال شده و فرایند تراشکاری به صورت سه بعدی شبیه سازی می شود، سپس ارتعاشات اولتراسونیک با فرکانس و دامنه ارتعاش مشخص بر روی ابزار برشی اعمال می شود و نتایج تحلیل نیروی ماشینکاری بدست آمده از این شبیهسازی با نتایج تجربی، مورد مقایسه و بررسی قرارگرفته است.

نتایج بدست آمده از شبیه سازی، کاهش نیروی ماشینکاری را به دلیل افزایش دامنه ارتعاش که منجر به کاهش انرژی مصرفی، کاهش اصطکاک، بهبود در کیفیت سطح و افزایش عمر ابزار می شود در کار تجربی تائید میکند. همچنین تغییر شکل بیش ازاندازه مش ها به واسطه تغییر شکل الاستیک - پلاستیک در ناحیهی مرزی تماس ابزار با قطعه کار یا اطراف براده بیش ازحد رخ میدهد که معیار مش ریزی مجدد به صورت اتوماتیک در نرم افزار مهندسی دفرم در نواحی تماس ابزار با قطعه کار باعث شده است که دقت نتایج المان محدود را نسبت به سایر نرم افزارها بالاتر برده و نتایج نیروی بدست آمده از المان محدود را به نتایج تجربی نزدیک میکند.

-1 مقدمه

اولتراسونیک یک شاخه خاصی از آکوستیک - علم صوت - همراه با امواج ارتعاشی در جامدات، مایعات، گازها است که در فرکانس های بالاتر از محدوده شنوایی انسان است. با توجه به کاربرد و فواید ارتعاش اولتراسونیک در بخش تراشکاری که باعث پیشرفت زیادی در تولید قطعات ازنظر کیفیت و بهبود سطح قطعه شده است به همین دلیل تراشکاری به کمک ارتعاش اولتراسونیک یکی از تکنیکهای پیشرفته و کاربردی جهت ماشینکاری مواد که محدوده وسیعی از قطعات را با اشکال و خواص مختلف دربر میگیرد است.

براده برداری مواد سخت و ترد در فرایند تراشکاری به کمک ارتعاش اولتراسونیک با توجه به این فرایند که ماهیتی غیر الکتریکی، غیر شیمیایی، غیرحرارتی دارد ساده تر و موفق تر نسبت به تراشکاری سنتی است. قطعات سخت و ترد که دارای مقاومت الکتریکی زیادی باشند با روشهای سنتی به دلیل سختی و شکنندگی و نیز با روشهای غیر سنتی به دلیل عایق بودن قابل ماشینکاری نیستند و روش ارتعاشات اولتراسونیک بهترین انتخاب برای ماشینکاری آنهاست. در فرایند تراشکاری به کمک ارتعاشات اولتراسونیک ارتعاش وارد بر نوک ابزار در محدوده فرکانس 20 تا 100 کیلوهرتز و حتی بالاتر هم است و با دامنه ای مشخص به ابزار برشی اعمال می شود، بطوریکه فرایند برش با تماس های متناوب بین ابزار و براده انجام میشود.

در مقایسه با فرایند تراشکاری معمولی، این روش برای ماشینکاری مواد مختلف دارای مزایایی ازجمله کاهش نیروی ماشینکاری در حد چندین برابر، بهبود صافی سطح قطعه کار و کاهش اختلالات و ارتعاشات مزاحم و غیره است. کومابه1 در سال 1958 مطالعه ماشینکاری ارتعاشی را شروع کرد او به ترکیب ارتعاشات اولتراسونیک با ماشین های ابزار معمولی پرداخت و در سال های 1958 الی 1979 نشان داد که برشی پالسی مزیت های زیادی ازجمله جابجایی گرمای برشی، افزایش عمر ابزار و کاهش نیروی برشی را به دنبال دارد.

کومابه و همکارانش عملیات پرداخت نهایی، دنده زنی داخلی و عملیات برش فلزات مختلف را با استفاده از فرایند ارتعاش اولتراسونیک انجام دادند.[2 ,1]کومابه و همکارانش در سال های 1979 تا 1989 به این نتیجه رسیدند که برای تمرکز بیشتر نیروی برشی پالسی ، سرعت برشی V بایستی کمتر از 2 ID >9 باشد بطوریکه a دامنه ارتعاشی ابزار، f فرکانس ارتعاشی ابزار است.[3 ,2]

شاموتو 2 و موریواکی3، تحقیقات خود را بهصورت تجربی درزمینه ماشینکاری ارتعاشی بر روی فولاد ضدزنگ با ابزار لبه الماس انجام دادند. آن ها متوجه شدند که به دلیل سایش بیش ازحد توسط ابزار الماس نمی تواند به درستی عمل براده برداری انجام شود درنتیجه کیفیت سطح بدست آمده در حد انتظار نیست اما با تحقیقاتی که انجام دادند پی بردند که با ارتعاش 40 کیلوهرتز بر سر لبه ابزار الماسه جهت تراشکاری و برش فولاد ضدزنگ زبری سطح کمتر از 0/1 میکرومتر رسیده است و نتایج تجربی بدست آمده از آزمایش های انجام شده نشان داد که برای بدست آوردن سطحی باکیفیت و زبری پایین و افزایش عمر ابزار در براده برداری و برش به وسیله ارتعاش در نوک ابزار الماسه برای فولادهای ضدزنگ یک روش مناسب با دقت بسیار است.[4]

آن ها در سال 1994 فرآیند برش ارتعاشی را در دو جهت تحت عنوان ماشینکاری بیضوی انجام دادند. این نوع فرآیند باعث حرکت ارتعاش بیضوی ابزار میشود که ضخامت براده و نیروی برشی را کاهش میدهد آنان توسط عملکننده پیزو الکتریک ابزار تراشکاری را در دو جهت با بسامد 19کیلوهرتز مرتعش نمودند و با تحلیل تئوری و تجربی نشان دادند که نیروهای ماشینکاری بسیار کمتر از حالتی است که ارتعاش اولتراسونیک در یکجهت اعمال گردد.[5]

در تحقیقی دیگر به بررسی تجربی فرآیند تراشکاری به کمک ارتعاش اولتراسونیک برای ماشینکاری ذرات تقویتکننده آلومینیوم کامپوزیت1، کائوچو و مواد مرکب توسط گویژن دونگ2، هایژن ژانگ3، ژانگ3، مینگ ژو4، یوهان جینگ ژانگ5 پرداخته شده است. ذرات تقویت شده آلومینیوم کامپوزیت به دلیل خواص بهبودیافته شان موردتوجه بیشتری قرارگرفته و هزینههای تولید بسیار کمتری را به خود اختصاص داده اند بطوریکه امروزه به صورت خیلی گسترده در صنایع هواپیمایی، خودرو و صنایع الکتریکی استفاده میشود.

درصد ذرات تقویت شده در کامپوزیتها اثر قابلتوجه ای در سختی این مواد دارند با توجه به خواص برجسته مکانیکی و فیزیکی که این ذرات دارند ماشینکاری این مواد با کاهش ذرات تقویت شده ضعیف است. مقالات منتشرشده نشان میدهد که ابزارهای فولادی و کاربیدی برای تراشکاری ذرات آلومینیوم کامپوزیت، کائوچو و مواد مرکب نیازهای ماشینکاری را با دقت بالا به دلیل سایش شدید ابزار نمیتواند برآورده کنند. در این تحقیق تراشکاری به کمک ارتعاش اولتراسونیک بر روی آلیاژ آلومینیوم AL2024 با ذرات تقویت شده آلومینیوم کامپوزیت - Vf%45 - با استفاده از الماس چند بلوری6 آزمایششده و به بررسی اثر هندسه ابزار بر نیروی برش و زبری سطح ماشینکاری شده پرداخته شده است.

نتایج تجربی نشان میدهد که زاویه تیغه و شعاع نوک ابزار اثر قابلتوجهی در نفوذ ابزار، نیروی برش و یکپارچگی سطح دارد از طرفی سایش ابزار در تراشکاری به کمک ارتعاش اولتراسونیک به طور قابل توجهی در طول ارتعاش نسبت به تراشکاری معمولی کاهش مییابد.[6] بررسی نظری و تجربی رفتار اصطکاکی بین ابزار و تراشه در تراشکاری به کمک ارتعاش اولتراسونیک نام تحقیقی است که توسط جمشیدی7 و ناطق8 ارائهشده است.

رفتار اصطکاکی در بین نقطه اتصال بین ابزار و تراشه نقش مهمی در مکانیک برش دارد. نیروهای اصطکاکی و معمولی، ضریب اصطکاک و توزیع تنش در طول تماس بین ابزارهای برش و تراشه نقش بسیار مؤثری را در فرآیندهای برش دارد. اصطکاک و گرمای تولیدشده در بین ابزار و تراشه باعث سایش ابزار می شود. عملکرد یا رفتار نقطه اتصال بین ابزار برش و تراشه دربرش به کمک ارتعاش اولتراسونیک رفتاری متفاوت نبست به برش های معمولی دارد که موردبررسی قرارگرفته است.

نتایج بدست آمده حاکی از آن است مدل اصطکاکی با توجه به مطالعه پارامترهای فوق و پیش بینی رفتار نقطه درگیری بین ابزار و تراشه در تراشکاری به کمک ارتعاش اولتراسونیک در برش های متفاوت سرعت و دامنه ارتعاش بهبود و توسعه داده است بطوریکه با افزایش دامنه ارتعاش یا فرکانس نیروهای اصطکاکی و معمولی در تراشکاری به کمک ارتعاشات اولتراسونیک نسبت به برش معمولی کاهشیافته است.[7]

در سال 2014 مقالهای توسط امینی، بهبهانی، نسوحی و خسروجردی ارائه گردیده که کیفیت سطح، نیروهای برش و سایش ابزار در ماشینکاری اکسید آلومینیوم9 بررسیشده است. ابزار ارتعاش با سنگ الماس کریستال طراحی و ساختهشده است. نیروهای برش در سرعت برش مختلف و نرخ براده برداری در هر دو حالت ارتعاش و شرایط ماشینکاری معمولی اندازه گی ری شد. همچنین از کیفیت سطح ماشین در شرایط مختلف برش، گزارش تهیه گردید. نتایج نشان داد که نیروهای برش کاهش و زبری سطح بهبودیافته است.

بااین حال، نرخ سایش ابزار بیشتر از حالت معمولی است. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش سرعت پیشروی کیفیت سطح کاهش مییابد.[8] در سال 2014 تحقیقی به کمک ماشینکاری اولتراسونیک با استفاده از آلیاژ تیتانیوم که در حرارت بالا است از یک روش جدید ماشینکاری هیبریدی که به کمک اولتراسونیک گرم10 برای پردازش آلیاژ با پایه تیتانیوم توسط ریاض محمد11، آگوستینو موروسه12، مراد دمرول13، انیش روی14، به صورت تجربی و محاسباتی موردبررسی و مطالعه قرار گرفت. این روش ماشینکاری به کمک دستگاه اولتراسونیک برای تراشکاری آلیاژهای مدرن که در آن انرژی کم، لرزش فرکانس بالا درحرکت یک ابزار برش در طول یک فرآیند برش معمولی استفاده میشود.

این روش ماشینکاری نوین در کاهش نیرو در سطح برش با بهبود هم زمان در سطح آلیاژهای مدرن نتایج خوبی را داشته است. نتایج بدست آمده از این مطالعه کاهش نیروهای برش و بهبود در زبری سطح با سرعت پیشروی مناسب در آلیاژهای تیتانیم است. استفاده از یک منبع خارجی گرما به قطعه کار نیروهای برش و مقاومت برشی را کاهش میدهد. همچنین تکنیکهای ماشینکاری گرم در مقاوم بودن قطعه در برابر سایش مؤثر است.[9]

در این تحقیق به شبیه سازی سه بعدی فرایند تراشکاری به کمک ارتعاشات اولتراسونیک توسط اجزاء محدود پرداخته می شود. ابتدا فرایند تراشکاری با لحاظ کردن تمام فاکتورهای طراحی طبق جدول - 2 - کار تجربی و عملی نظیر سرعت برشی، سرعت پیشروی و عمق برش در نرمافزار دفرم مدل و پیادهسازی شد. سپس دامنه ارتعاش با توجه به جدول - 2 - با فرکانس 20کیلو هرتز به ابزار اعمال شد و نتایج نیروی و درصد خطا در تحلیل نیروی اجزاء محدود مشخص گردید و با نتایج کار تجربی مقایسه گردید.

با توجه به تحقیقات و آزمایش هایی که محققان و پژوهشگران درزمینه ماشینکاری ارتعاشات اولتراسونیک ارائه داده اند که نظیر ویژگیهای مهم ابزار ارتعاشی شامل، نیروی فشاری لازم برای تراشکاری، عمر ابزار برشی، نرخ براده برداری و کیفیت سطح ماشینکاری شده، هندسه ابزار، جنس قطعه کار، جنس ابزار و پوشش آن، سرعت برشی و نرخ پیشروی و عمق برشی ازجمله فاکتورهایی هستند که در سال های اخیر مورد مطالعه و بررسی قرارگرفتهاند مبنی بر اینکه تمام نتایج و پژوهش های انجام شده به صورت کارهای عملی و آزمایش های تجربی بوده است.

لکن شبیه سازی سه بعدی فرایند تراشکاری به کمک ارتعاشات اولتراسونیک با استفاده از نرم افزار اجزاء محدود دفرم کار جدیدی است و در این پژوهش به آن پرداخته شده است، همچنین نتایج بدست آمده از این شبیه سازی دقت و صحت نتایج عملی ارائه شده تا حد بالای اعتبار می بخشد. البته بیان این نکته حائز اهمیت است که با شبیه سازی فرایند تراشکای به کمک ارتعاشات اولتراسونیک در این تحقیق بجای کار عملی کاهش هزینه تولید، کاهش زمان رسیدن به نتیجه مطلوب و کاهش نیروی انسانی را به دنیال داردو جایگزین مناسبی بجای کار عملی می باشد.

-2 آزمایش کار تجربی تراشکاری به کمک ارتعاشات اولتراسونیک قطعه ST1.1191

پیرو مطالعات انجام شده، نتایج نیروی ماشینکاری در تراشکاری به کمک ارتعاشات اولتراسونیک در سال 2009 تحت مقالهای ارائه شد. در مقاله ارائهشده ابزار ارتعاشی با مواد مختلف برای ماشینکاری قطعه فولادی طراحی و ساخته شد. سپس نیروهای ماشینکاری بدست آورده و با نتایج تراشکاری معمولی مورد مقایسه قرار قرارگرفته شد.[10]

-1-2 پارامترهای ماشینکاری

پارامترهای ماشینکاری در فرایند تراشکاری به کمک ارتعاشات اولتراسونیک برای قطعه فولادی در جدول - 2 - جهت بررسی فرایند انتخاب شدند.[10] همچنین از پارامترهای فوق برای مدلسازی فرایند در نرمافزار دفرم استفادهشده است.

-3 نتایج آزمایش کار تجربی

با توجه به جدول - 2 - پارامترهای ماشینکاری در حالتهای مختلف در فرایند تراشکاری به کمک ارتعاشات اولتراسونیک موردمطالعه و بررسی قرار گرفت و نتایج نیروی ماشینکاری آن ارائه گردید.

-4 طراحی مدل و شبیهسازی سهبعدی فرایند تراشکاری به کمک ارتعاشات اولتراسونیک شبیه سازی سه بعدی فرایند تراشکاری در نرم افزار مهندسی دفرم مدل شده است ارتعاشات اولتراسونیک با استفاده از رابطه - 2 - بر روی ابزار بهصورت تابعی از زمان در سرعتهای مختلف اعمالشده است و نمودار نیروی ماشینکاری در دو فرایند تراشکاری معمولی و تراشکاری به کمک ارتعاشات اولتراسونیک ارائه شده است.