بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازي و آناليز زبري سطح در ماشينکاري کامپوزيت زمينه پليمري تقويت شده با ذرات آلومينيوم با استفاده از روش پاسخ سطح 2
چکيده
در اين مقاله اثر پارامترهاي ماشينکاري بر زبري سطح کامپوزيت هاي زمينه پليمري تقويت شده با فيلرها از طريق روش پاسخ سطح (RSM) مورد بررسي قرار گرفته است . چهار پارامتر ماشينکاري سرعت دوراني ، حجم ذرات تقويت کننده ، نرخ پيشروي و عمق برشي در پنج سطح مرکب مرکزي در نظر گرفته شده است . در طراحي آزمايشات از ماتريس طراحي چرخشي استفاده شده تا تحقيق پژوهشي صورت پذيرد . آناليز واريانس (ANOVA) انجام شده جهت کنترل صحت مدل نشان مي دهد که هر پارامتر به تنهايي بر روي خروجي تاثير زيادي دارد ، ولي اثر متقابل پارامترها بر روي خروجي نامحسوس است . همچنين ، آناليز تاثيرات تمامي پارامترهاي ماشينکاري ورودي منحصرا روي پاسخ انجام گرفته است و مشاهده شده است که پارامترهاي نرخ پيشروي و حجم ذرات تقويت کننده تاثير بيشتري را بر روي زبري سطح نسبت به دو پارامتر ديگر دارند .
واژه هاي کليدي: روش پاسخ سطح – کامپوزيت هاي زمينه پليمري تقويت شده با ذرات آلومينيوم – زبري سطح - آناليز واريانس
١- مقدمه
در سال هاي اخير توسعه و کاربرد کامپوزيت هاي پليمري تقويت شده با فيلرها رشد سريعي داشته است [١,٢] . به عنوان مثال فيلرهايي از قبيل ذرات فلز ، الياف کربن يا الياف شيشه بطور گسترده استفاده مي شوند . به هر حال ، ترکيب شدن الياف با پليمر براي ساختارهاي ميکروذره اي مانند کامپوزيت اپوکسي با ذرات آلومينيم که در اين مقاله انتخاب شده است ، دشوار است . کامپوزيت هاي پليمري تقويت شده با فيلرها خواص ترکيبي از قبيل استحکام ويژه بالا ، سفتي بالا و وزن سبک دارند که باعث جذابيت آن براي کاربردهاي هواپيمايي وهوافضا مي شود [٣] . ماشينکاري کامپوزيت هاي پليمري تقويت شده با فيلرها جهت ساخت قطعات نزديک به شکل نهايي الزامي مي باشد . ماشينکاري کامپوزيت متفاوت با ماشينکاري سنتي فلز در نتيجه خواص ناهمگن و ناهمسان گرد کامپوزيت مي باشد [٤] . اولين تحقيق تئوري روي ماشينکاري کامپوزيت هاي زمينه پليمري توسط راجرز و اورستين (Everstine وRogers) در سال ١٩٧١ معرفي شد [٥] . آنها آناليز تئوري تغيير شکل صفحه اي کامپوزيت - هاي تراکم ناپذير تقويت شده با الياف موازي محکم انجام دادند . پرداخت سطح پارامتر مهمي در فرآيند ماشينکاري به شمار مي رود . اين معيار سطح اجزاي طراحي مهمي را در موقعيت هاي مختلفي از قبيل قطعات در معرض بارهاي خستگي ، انطباقات دقيق ، سوراخ هاي چفت وبست و نياز به زيبايي دستخوش تغييرات قرار داده است . علاوه بر تلورانس ها ، زبري سطح از ضروري ترين قيود جهت انتخاب ماشين آلات و پارامتر هاي برشي در طراحي فرآيند (PP) به شمار مي رود [٦] . جهت دستيابي به پرداخت سطح مطلوب ، فهم مکانيزم برداشت ماده و سينتيک فرآيند هاي ماشينکاري که بر عملکرد ابزار برشي تاثير مي گذارند ، ضروري است [٧] . در اين مقاله همچنين همبستگي و رابطه بين حجم ذرات تقويت کننده ماده کامپوزيتي زمينه پليمري و زبري سطح ماشينکاري شده اين کامپوزيت ها زماني که مقدار پيشروي وعمق برشي و سرعت دوراني تغيير مي کند ، بررسي شده است . اسپور و وانش (Spur و Wunsch) [٨] يافتند که در زمان ماشينکاري کامپوزيت هاي GFRP زبري سطح با افزايش نرخ تغذيه افزايش مي يابد ، ولي به سرعت برشي بستگي ندارد . در مقابل فرضيه بالا ، رامولو (Ramulu) [٩] زبري سطح بهتري را با سرعت برشي بالا بدست آورد ، بنابراين ماشينکاري کامپوزيت ها هنوز با سوالات زيادي مرتبط است [١٠] . براي شناخت کيفيت سطح و خواص ابعادي مدلسازي تئوري جهت پيش بيني هدف به کار گرفته مي شود . جهت پيش بيني ، روش پاسخ سطح (RSM) کاربردي ، اقتصادي و نسبتا ساده براي استفاده مي باشد [١١] . براي مثال ساهين و موتوسو (Sahin و Riza Motorcu) [١٢] استفاده از RSM را در ايجاد مدل زبري سطح براي ماشينکاري فولاد نرم پيشنهاد کردند .
در اين پروژه مدل رياضي براي پيش بيني زبري سطح قطعه کار کامپوزيتي زمينه پليمري ماشينکاري شده بکار گرفته شده است . آناليز واريانس براي کنترل صحت مدل استفاده مي شود . براي پيدا کردن پارامتر هاي مهم از آزمون student's t-test استفاده مي شود . اين مدل بطور موثر براي پيش بيني زبري سطح قطعات کامپوزيتي زمينه پليمري ماشينکاري شده مي تواند استفاده شود .
٢ مدلسازي جهت انجام آزمايشات
٢-١ مواد
رزين اپوکسي شفاف RL٤٤٠ با هاردنر HY٤٤١ که از سري محصولات شرکت پيشرو و مبتکر پيوند بوده ، به عنوان مواد ماتريس استفاده مي شود که بر پايه اپوکسي بيسفنول و هاردنر آميني توليد مي گردد . اين محصول علاوه بر خصوصيات عايق الکتريکي ، شوک هاي حرارتي را نيز تحمل کرده و در آن ترک و شکستگي بوجود نمي آيد . به دليل مقاومت شيميايي اين محصول به عنوان عايق الکتريکي در محيط هاي شيميايي نيز کاربرد دارد . ذرات آلومينيوم به عنوان فيلر انتخاب مي شوند و در آزمايش حجم ذرات آلومينيوم را تغيير مي دهيم .
٢-٢ تهيه تست نمونه
در کل کسر حجمي بالايي از ذرات در کامپوزيت باعث بهبود خواص مکانيکي و حرارتي کامپوزيت مي شود . به هر حال کسر حجمي خيلي بالاي ذرات سبب برخي از مشکلات در نتيجه ويسکوزيته بالاي کامپوزيت مي شود .
در اين مقاله ، کسر حجمي ذرات بين ٠ تا ٣٠% در نظر گرفته شده است . بدين طريق که براي حجم ذرات آلومينيم ٣٠% مقدار ٣٠ گرم ذرات آلومينيوم ، ٥١ گرم رزين اپوکسي و ١٩ گرم هاردنر براي تشکيل يک کامپوزيت ١٠٠ گرمي با يکديگر مخلوط مي شوند . ذرات آلومينيوم و رزين اپوکسي در ابتدا بصورت مکانيکي در شرايط خلا به مدت يک ساعت با يکديگر مخلوط مي شوند و سپس هاردنر به آنها اضافه مي شود . مخلوط به صورتي که در يک ظرف قالب لاستيکي سيليکوني خلا ايجاد شده (جهت خروج حباب هاي هوا از داخل مخلوط کامپوزيتي ) ، وارد قالب مي شود و به مدت ٢٤ ساعت در دماي محيط و يا ١٢ ساعت در کوره با درجه حرارت ٤٥ درجه سانتيگراد قرار گرفته و در نهايت از قالب لاستيکي سيليکوني خارج مي شود .
٣ - روش طراحي آزمايشات
روش پاسخ سطح يا RSM مجموعه اي از تکنيک هاي آماري يا رياضي مي باشد که براي مدلسازي و آناليز مسائلي که پاسخ مطلوب توسط چندين پارامتر تحت تاثير قرار مي گيرند ، مفيد مي باشند و هدف بهينه سازي پاسخ است . در بيشتر مسائل روش پاسخ سطح ، رابطه بين پاسخ و متغيرهاي مستقل مجهول هستند . بنابراين قدم اول در روش پاسخ سطح پيدا کردن تقريب مناسب براي رابطه تابعي صحيح بين پاسخ و مجموعه متغيرهاي مستقل مي باشند . معمولا از چند جمله اي هاي مرتبه پايين در ناحيه اي از مقادير متغيرهاي مستقل استفاده مي شود . اگر پاسخ بوسيله يک تابع خطي از متغيرهاي مستقل مدل شود ، آنگاه تابع تقريب مدل درجه اول ناميده مي شود .
اگر انحناء در سيستم وجود داشته باشد ، آنگاه بايستي چند جمله اي درجه بالاتر در نظر گرفته شود ، مانند مدل درجه دوم :
براي برآورد پارامترها در تقريب زدن چندجمله اي ها از روش کمترين مربعات استفاده مي شود .
٤ - برنامه تحقيق
جهت دستيابي به هدف مطلوب ، تحقيقاتي به ترتيب زير طراحي شد :
١ . مشخص کردن عوامل برجسته ( پارامتر هاي ماشينکاري ) ، که بر زبري سطح قطعات کامپوزيتي زمينه پليمري تقويت شده با ذرات آلومينيوم ماشينکاري شده تاثير گذارند و يافتن حدود بالا و پايين عوامل انتخاب شده .
٢ . ايجاد ماتريس طرح آزمايشي .
٣ . هدايت آزمايشات در قالب ماتريس طراحي .
٤ . ايجاد مدل رياضي .
٥ . محاسبه ضرايب مدل .
٦ . تست ارجحيت ضرايب بوسيله student's t-test .
٧ . کنترل صحت مدل ايجاد شده بوسيله روش آناليز واريانس (ANOVA) .
٨ . آناليز تاثير پارامتر هاي مختلف روي زبري سطح .
٤-١ مشخص کردن عوامل برجسته و يافتن حدود بالا و پايين عوامل انتخاب شده .
پرداخت سطح قطعه کار ويژگي مهم کيفيت هر عمليات ماشينکاري به حساب مي آيد . در طي ماشينکاري عوامل زيادي بر روي پرداخت سطح تاثير مي گذارند . نرخ پيشروي عامل مهمي است که بر کيفيت قطعات تراشکاري شده در ماشينکاري قطعات کامپوزيتي زمينه پليمري تقويت شده با ذرات آلومينيوم تاثير مي گذارند [١٣] . مدل هاي تئوري زيادي اثبات کرده - اند که تاثير سرعت برشي روي زبري سطح حداقل است . در عمل سرعت برشي فاکتور مهمي به شمار مي رود . عمق برشي فاکتور مهم ديگري است که بر پرداخت سطوح ماشينکاري شده تاثير مي گذارد [١٤] . با توجه به نتايج تحقيقات ، زبري سطح پروفيل ها به مقدار زيادي وابسته به حجم ذرات تقويت کننده دارند . پارامترهاي ماشينکاري عمده قابل کنترل که تاثيرات زيادتري روي پرداخت سطح قطعه کار کامپوزيتي زمينه پليمري تقويت شده با ذرات آلومينيومي دارند ، مشخص شده اند . که عبارتند از :
I . سرعت دوراني (A)
II . حجم ذرات تقويت کننده (B)
III . عمق برشي (C)
IV . نرخ پيشروي (D)
آناليز با جزئيات کامل جهت تثبيت حدود بالايي و پاييني پارامترها انجام گرفته است . بر اساس اين آناليز ، حدود بالا و پاييني پارامترها مشخص شده و در جدول (١) ارائه مي شود . مطالعات قبلي نشان مي دهد که ، زبري سطح با افزايش سرعت دوراني افزايش مي يابد [٨] . اما سرعت دوراني خيلي بالا سبب نرخ تغيير شکل بالاي کامپوزيت مي شود و توليد عيب در سطح کرده وبنابراين سرعت دوراني بايد بين ١٠٠٠ و rev/min ٢٠٠٠ تثبيت شود . حجم ذرات تقويت کننده نقش مهمي را براي تعيين زبري سطح بازي مي کند . در اين تحقيق حجم ذرات تقويت کننده بين ٠ الي ٣٠ درصد در نظر گرفته شده است . عمق برش نقش اندکي را در فرآيند ماشينکاري کامپوزيت در مقايسه با سرعت دوراني و نرخ تغذيه بازي مي کند ، ولي بطور عمده در فرآيند ماشينکاري تاثير گذار است . عمق برشي بين ٠.٢٥ و mm ٢ تثبيت مي شود . نرخ تغذيه پارامتر مهم ديگري است که در فرآيند ماشينکاري تاثير مي گذارد . افزايش نرخ تغذيه ، چتر (chatter) را افزايش مي دهد و سبب ماشينکاري ناقص در حرکت سريع مي شود که منجر به زبري سطح بالاتر شده و بنابراين حد پايين نرخ هاي تغذيه در ماشينکاري اين کامپوزيت ها توصيه مي شود [١٥] . در اين پروژه نرخ تغذيه بين ٠.٠٥ و mm/rev ٠.٣ انتخاب شده است .
٤-٢ . ايجاد ماتريس طراحي آزمايشي
