جديدترين متدهايي كه مهندس صنايع بايد بدونه

[hasti-m]

ماشینکاری فراصوتی

مقدمه

ماشینکاری آلتراسونیک (USM ) یکی از فرایندهای غیرسنتی ماشینکاری مکانیکیمیباشد این فرایند به منظورماشینکاری مواد سخت ویا شکننده(رسانا و غیر رسانا) کهسختی آنها معمولا"بیش از RC 40 است بکار گرفته میشود.این روش ماشینکاری از یک ابزاربه شکل معین و حرکت مکانیکی با بسامدبالاو یک دوغاب ساینده استفاده میکند .درUSM برداشت مواد توسط دانه های سایندهای صورت می گیردکه به وسیله یک ابزاردر حال ارتعاش (به صورت عمود بر سطح قطعه کار) به حرکت واداشته شده اند.

در USM از اصل تغییر طولمغناطیسی استفاده می شود .هنگامیکه یک جسم فرومغناطیس در یک میدان مغناطیسیمتغیر پیوسته قرار داده شد طول آن تغییر می کند.
وسیله ای که صورت های دیگرانرﮋیرا به امواج مافوق صوت تبدیل می کند مبدل فراصوتی می نامند. مبدل در USM سیگنالالکتریکی با بسامد بالا را به حرکت مکانیکی خطی(یا ارتعاش) با بسامد بالا تبدیل میکند این ارتعاشات بابسامد بالا از طریق ابزارگیر به ابزار منتقل می شود .برای دستیابی به نرخ برداشت ماده(MRR) بهینه ابزارو ابزار گیربه گونه ای طراحی می شوند تابتوان به حالت تشدید دست یافت .تشدید (یا بیشترین دامنه ارتعاش )زمانی صورت می گیردکه بسامد ارتعاش با بسامد طبیعی ابزار و ابزارگیر یکی شود.

شکلابزاربه صورت معکوس حفره مورد نظر ساخته می شود.ابزار در موقعیتی بسیار نزدیک بهقطعه قرار گرفته و فاصله میان ابزار مرتعش و سطح قطعه کار توسط دوغاب متشکل از ذراتساینده بسیار ریزمعلق در یک ماده واسطه (معمولا"آب) تشکیل می شود .وقتی ابزاردرحرکت رو به پایین خود مرتعش می شود به ذرات ساینده ضربه وارد می کند .این ضربهدانه ها را در فاصله میان ابزارو قطعه کار به پیش می برد.این ذرات مقداری انرﮋیجنبشی به دست آورده و با نیرویی بیشتر از نیروی وزن خود بر سطح قطه کار ضربه می زند .این نیرو برای برداشت ماده از سطح قطعه کاری ترد کافی است و باعث ایجادیک حفره برروی آن می شود . هر حرکت رو به پایین ابزار ذرات زیادی را شتاب می دهد و باعث تشکیلهزاران براده کوچک در هر ثانیه می شود.به نظرمیرسد در صد بسایر کمی (در حدود 5%) ازماده نیز توسط پدیده ای به نام فرسایش حفره ای برداشته می شود .برای ثابت باقیماندن فاصله بسیار کم بین ابزار و قطعه کار معمولا"ابزار به سمت قطعه کار پیشروی میکند.

اندازه ی اين عكس تغيير داده شده است. برای ديدنكامل عكس اينجا را كليك كنيد. اندازه ی عكس اصلی 1050x1120 و حجم آن 62KB است.

اگرچه مقدار MRR به دست آمدهدر USM کم است امااین فرایند قادربه ماشینکاری حفره های پیچیده در مواد ترد و یاسخت در یک مرحله است. به دلیل عدم وجود تماس مستقیم میان ابزار و قطعه کار USM فرایند مناسبی برای م مواد نازک و شکننده است .همچنین با این روش ماده ترد را بسیارراحت تر از مواد نرم می توان ماشینکاری نمود. به دلیل عدم وجود ولتاﮋ بالا موادشیمیایی ونیروهای مکانیکی و حرارت در این فرایند آن را به عنوان روشی بسیار ایمن وبی خطر در نظر می گیرند.

سیستم ماشینکاریفراصوتی:

دستگاههایUSM موجودتوانیبین 40W تا 2/4Kw دارند و ازقسمت هایی مانند سیستم تغذیه مبدل انرﮋی ابزار گیر ابزار و ساینده ها تشکیل شده اند .
یک ﮋنراتور موج سینوسی با توان یالا توان الکتریکی با بسامد پایین (60Hz) رابه توان الکتریکی با بسامدبالا (~20KHz )تبدیل می کند .این سیگنال الکتریکی بابسامد بالا به یک مولد انرﮋی فرستاده می شود که این مبدل سیگنال را به ارتعاشی بادامنه کم و بسامد بالاتبدیل می کند .بطور کلی مبدل انرﮋی الکتریکی را به ارتعاشمکانیکی تبدیل می کند.دو نوع مبدل در USM مورد استفاده قرار می گیرد:نوعپیزوالکتریکی ویا نوع تغییر طول در اثر میدان مغناطیسی.بلورها ی پیزو الکتریک (مانند کوارتز)به هنگام فشرده شدن جریان الکتریکی کمی تولید می کنند .همچنین زمانیکه از یک بلور جریان الکتریکی گذرانده شود بلور منبسط شده و با برداشتن جریان بلوربه اندازه اصلی خود بازمی گردد.این اثر باعنوان اثر پیزو الکتریک شناخته می شود اینمبدل ها دارای توانی با ظرفیت 900W میباشد.
طول مبدل تغییر طول در اثرمیدانمغناطیسی نیز به هنگام قرار گرفتن در معرض یک میدان مغناطیسی قوی تغییر می کند . این مبدل ها از ورقه های نیکل ویا آلیاﮋهای آن ساخته شده اند . راندمان تبدیل اینمبدل ها(35%-20%) بسیار کمتر از راندمان تبدیل مبدل های پیزو الکتریک تا (95%) است.بنابراین خنک کردن آنها برای از بین بردن حرارت تلف شده ضروری است . ایننوعمبدل ها توانی با ظرفیت تا2/4KW دارند .بیشترین تغییر طول (یادامنه ارتعاش)قابلحصول با این مبدل ها نیز25µm میباشد.
ابزارگیر ابزار را نگهمی داردو به مبدل متصل میکند .ابزار گیر در واقع انرﮋی را منتقل کرده و در بعضیموارد دامنه ارتعاش را نیز تقویت می کند .بنابراین جنس ابزار باید خواص صوتی خوب ومقاومت به ترک خستگی بالایی داشته باشد .برای جلوگیری از جوشکاری فراصوتی بین مبدلو ابزارگیر باید اقدامات لازم انجام گیرد به عنوان مثال میتوان آنهارا توسط پیچهابا انطباق آزادبه یکدیگر متصل نمود.
مواد استفاده شده برای ابزارگیرمعمولا"از جنس مونل تیتانیوم و فولاد های زنگ نزن می باشد. از مونل به دلیل دارابودن خواص لحیم کاری و صوتی خوب معمولا"برای کاربردهای با دامنه کم استفاده می شوددر کاربرد های با دامنه زیاد جنس ابزارگیر باید استحکام خستگی خوبی داشته باشد . علاوه بر این ابزارگیر ممکن است بصورت تقویت کننده و یا غیر تقویت کننده باشد .ابزارگیرهای غیر تقویت کننده دارای سطح مقطح گرد هستند ودامنه یکسانی را در دوانتهای ورودی و خروجی می دهند. ابزار گیرهای تقویت کننده حرکت ابزار راتا حدود6برابر افزایش دادهکه این مقدارافزایش با اعمال کشش و رها کردن ابزارگیر به دست میآید . این نوع ابزارگیرنرخ برداشت مادهای (MRR )در حدود10 برابر بیشتر از ابزارگیرغیر تقویت کننده ایجاد می کند. ابزارگیرهای تقویت کننده گرانتر بوده نیاز به هزینهعملیاتی بیشتری داشته و نیز کیفیت سطح نامطلوب تری را ایجاد می کند .

ابزار ها معمولا"از مواد نسبتا"شکل پذیر (مانند برنج- فولاد زنگ نزن- فولاد نرم و... ) ساخته می شود.بطوریکه نرخ سایش ابزار(TWR )رابتوان به حداقل رساند.نسبت TWR بهMRR بستگی به نوع ساینده جنس قطعه کار و جنس ابزاردارد . پرداخت سطح ابزار نیز مهم است . چون پرداخت سطح ابزار دست آمده روی قطعه کاراثر می گذارد.ابزار و ابزارگیر نباید دارای زدگی ها ی ماشینکاری و خراشیدگی باشند. تا در برابر شکست زود هنگام در اثر خستگی مصون بمانند. به منظور احتساب اضافه برشابزارها باید متناسب طراحی شوند.لحیم نقره ی ابزار به ابزارگیر مشکل خستگی که دراتصال پیچی وجوددارد را کاهش می دهد .
معیار های انتخاب دانه ها ی ساینده در USM باید سختی – اندازه ی ذرات- عمر مفیدو هزینه باشند. ذرات متداول مورد استفاده بهترتیب افزایش سختی عبارتند از :اکسید آلومینیوم– کاربید سیلیسیم – کاربیدبر- برایداشتن عمر مفید زیاد سختی ذرات باید بیشتر از سختی قطعه کار باشد . MRR وپرداخت سطحبه دست آمده در USM نیز تابع اندازه ذرات هستند.دانه های درشت تر باعث MRR بالاتروپرداخت سطح نامطلوب تر می شود .در حالیکه عکس آن با دانه های ریز تر صادق است. اندازه ی سرند یاالک برای دانه هایی که معمولا"بکارمیروند از 240 تا 800 است .دوغاب ساینده شامل آب و ساینده ها به نسبت وزنی یک به یک است. با این وجود این نسبتمی تواند بر حسب نوع عملیات تغییرکندبه عنوان مثال مخلوط های رقیق تر (یا با غلظتکمتر) برای مته کاری سوراخ های عمیق و یا ماشینکاری حفره های پیچیده به کار می روندتا جریان دو غاب ذخیره شده در مخزن به فاصله تشکیل شده توسط ابزار و قطعه کار پمپاﮋمی شود.در صورت بکار گیری دستگاههای پر قدرت ممکن است یک سیستم خنک کننده برای ازبین بردن حرارت دو غاب ساینده لازم باشد.

قابلیت هایفرایند:

USM زمانی به طور رضایت بخش کار می کند که سختی قطعه کاربیشتر از HRC 40 (سختی در مقیاس راکول C )باشد .در صورتیکه سختی قطعه کار بیش از HRC 60 باشد این فرایند بسیار خوب کار می کند.این روش موادی(کاربید ها - سرامیک ها – تنگستن – شیشه )را که با روشهای سنتی نمی توان ماشینکاری کرد به راحتی ماشینکاریمی نماید.
تلرانس های به دست آمده بااین فرایند در گستره 7µm و 25µm می باشند. بااین روش حتی سوراخهایی به کوچکی 76µm هم مته کاری شده اند. سوراخهایی با عمق تا 51mm به سهولت ایجاد شداند .در حالیکه سوراخهایی با عمق 152mm نیز با بکار بردن روششستشوی مخصوص مته کاری شده اند .نسبت ابعاد به دست آمده 40:1 میباشد.
درفرایندUSM نرخ خطی برداشت ماده MRR 1 ( که با عنوان نرخ نفوذ نیز شناخته می شوند) از 0/025mm/min تا 25mm/min است و به پارامتر های مختلف بستگی دارد. پرداخت سطح دراین فرایند از 0/25µm تا0/75µm تغییر می کند و بیشتر تحت تاثیر اندازه ی ذراتساینده قرار می گیرد.USM باعث پدید آمدن بافت سطحی بدون جهت در مقایسه با فرایندسنگ زنی سنتی می شود.
دقت سطح ماشینکاری شده توسط اندازه ذراتساینده – سایش ابزار - ارتعاش عرضی و عمق ماشینکاری شده تعیین می شود .اضافه برش (لقی بین ابزار و قطعه کار )معمولا"به عنوان معیاری از دقت بکار میرود. اضافه برششعاعی ممکن است بسیار کم و در حدود 1/5 تا 4 برابر اندازه ی متوسط ذره ساینده باشد. اضافه برش همچنین به پارامتر های دیگری نظیر جنس قطعه کار و روش تغذیه ابزاربستگیدارد. اضافه برش در طول عمق ماشینکاری شده یکسان نیست و باعث مخروطی شدن حفره یماشینکاری شده می گردد.راههای مختلفی به منظور کاهش میزان مخروطی شدن پیشنهاد شدهاست که از آن جمله به کار بردن بار استاتیکی بیشتر تزریق مستقیم دو غاب به درونمنطقه ماشینکاری و استفاده از یک ابزار با زاویه ی مخروطی منفی را می توان نامبرد.
عدم گردی ملاک دیگری است که برای سنجش دقت در مته کاری سوراخهایاستوانه ای بکار می رود .تنظیم غیر دقیق ابزار در فرایند USM دلیل اصلی ارتعاشجانبی است که منجر به عدم گردی در حفره می شود عدم گردی به جنس قطعه کار نیز بستگیدارد.

کاربردها:

مهمترین کاربرد موفقیت آمیز USMدر ماشینکاری حفره هادرسرامیک ها ی غیر هادی الکتریسیته می باشد . این فرایند در مورداجزا تردو شکنندهکه میزان دور ریز نسبتا"بالایی(با روش های دیگر دارند) کاملا"موفق است .جهت افزایشبهره وری از این فرایندبرای مته کاری چند سوراخ بطور همزمان استفاده می شود. بهعنوان مثال 930 سوراخ که شعاع هر یک 0/32mm است.برای این منظور از سوزنهای تزرق زیرپوستی به عنوان ابزار استفاده شده است. USM همچنین برای ساخت چند مرحله ای پرده هایتوربین از جنس نیترید سیلیس به خدمت گرفته شده است.