طراحي و ساخت مكانيزم كنترل نيروي پيش‌بار در ماشين‌كاري فراصوتي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك-طراحي كاربردي

كارشناسي ارشد

ماشين‌كاري فراصوتي به‌عنوان يكي از روش‌هاي نوين ماشين‌كاري، به دليل توانايي در فرآيند مواد سخت و ترد، جايگاه ويژه‌اي يافته است. اين فرآيند بر پايه انتقال ارتعاشات مكانيكي با فركانس بالا و برخورد ذرات ساينده با سطح قطعه‌كار استوار بوده و حذف ماده را ممكن مي‌سازد. در اين ميان، نيروي پيش‌بار به‌عنوان پارامتري بحراني نقش تعيين‌كننده‌اي در كارايي فرآيند دارد؛ زيرا تماس مؤثر ابزار با دوغاب ساينده و قطعه‌كار را تضمين كرده و انتقال مطلوب انرژي ارتعاشي را فراهم مي‌كند. مقدار اين نيرو مستقيماً بر مكانيزم انتقال انرژي ارتعاشي، نرخ برداشت ماده، توزيع تنش‌ها و سايش ابزار اثرگذار است. از ديدگاه مكانيكي، نيروي پيش‌بار باعث ايجاد فشار تماس بين سطح ابزار و قطعه‌كار مي‌شود كه بايد به‌گونه‌اي تنظيم گردد كه ضمن حفظ تماس مستمر و جلوگيري از لغزش، از اعمال نيروهاي بيش از حد كه منجر به خستگي مكانيكي ابزار و قطعه مي‌شود، جلوگيري كند. مدل‌هاي ديناميكي فرآيند نشان مي‌دهند كه نيروي پيش‌بار، در تعادل با نيروي ارتعاشي فراصوتي و نيروهاي مقاوم محيط ساينده قرار دارد و كنترل بهينه آن مي‌تواند باعث كاهش دامنه ارتعاشات ناخواسته و افزايش كارايي فرآيند شود. به عبارتي ديگر، نيروي پيش‌بار به‌عنوان پارامتري بحراني، تعادل بين انرژي ورودي و مصرف شده در كاهش ماده را تنظيم مي‌كند. از لحاظ تجربي، مطالعات نشان داده‌اند كه افزايش نيروي پيش‌بار تا حد مشخصي باعث افزايش نرخ برداشت ماده و بهبود كيفيت سطح مي‌شود، اما فراتر از آن نقطه، به دليل افزايش سايش ابزار و فشارهاي موضعي بيش از حد، عملكرد فرآيند افت مي‌گردد. به‌علاوه، كنترل دقيق نيروي پيش‌بار مي‌تواند نقش مهمي در كاهش تنش‌هاي حرارتي و مكانيكي ايجاد شده در قطعه‌كار و در نتيجه جلوگيري از آسيب‌هاي داخلي و ترك‌خوردگي ايفا كند. بنابراين، طراحي سيستم‌هاي ماشين‌كاري فراصوتي نيازمند مدل‌سازي جامع نيروي پيش‌بار به همراه پارامترهاي ارتعاشي، خواص مواد، و شرايط عملياتي است. اين امر زمينه‌ساز بهينه‌سازي فرآيند، افزايش عمر ابزار و دستيابي به كيفيت سطح موردنظر در صنايع پيشرفته‌اي چون هوافضا، پزشكي، و الكترونيك است. هدف از انجام اين پژوهش طراحي و ساخت مكانيزمي است كه بتوان نيروي پيش‌بار را اعمال و كنترل كند. بزار با گشتاور ثابت سروو موتور به سمت قطعه‌كار پيشروي مي‌كند و نيروسنج نيروي پيش‌بار را اندازه‌گيري مي‌كند. اگر نيرو كمتر از مقدار تعيين‌شده باشد پيشروي ادامه مي‌يابد و اگر بيشتر شود ابزار كمي عقب‌نشيني مي‌كند. اين چرخه تكرار مي‌شود تا نيروي پيش‌بار در محدوده مطلوب حفظ شده و براده‌برداري پايدار انجام گيرد.صحت‌سنجي مكانيزم كنترل نيروي پيش‌بار به‌عنوان يك مرحله كليدي در ارزيابي عملكرد سيستم مطرح مي‌شود. در اين پژوهش، سه روش متفاوت براي صحت‌سنجي مكانيزم كنترل نيروي پيش‌بار مورد بررسي قرار مي‌گيرد. روش اول با استفاده از يك ترازوي ديجيتال با ظرفيت 500 گرم و دقت 0.01 گرم به‌عنوان ابزار اندازه‌گيري، روشي ساده و قابل‌اعتماد براي بررسي ميزان نيروي اعمال‌شده در نقطه تماس ابزار و قطعه‌كار فراهم شد. به اين صورت كه يك قطعه‌كار روي ترازوي دقيق گذاشته شد و با استفاده از ابزار و پيشروي به‌وسيلة حركت سروو موتور بر روي آن نيرو وارد شد و نيروي اندازه‌گيري شده توسط ترازوي دقيق با نيروي پيش‌بار اندازه‌گيري‌شده توسط حسگر نيروسنج مكانيزم مقايسه شد. روش دوم ابزار با نرخ پيشروي 0.1 ميلي‌متر بر دقيقه، ابزار به سمت قطعه‌كار حركت كرد و قطعه‌كار زير فشار نيروي پيش‌بار گذاشته شد و نيروي نهايي وارد بر قطعه‌كار كه بعد از آن ابزار شروع به حركت به سمت بالا مي‌كند ثبت شد. در روش سوم با استفاده از ماشين‌كاري فراصوتي و مكانيزم ساخته شده سوراخ‌هايي روي شيشه ايجاد شد. در آزمايش‌هاي سوراخكاري مشاهده شد يك نيروي استاتيكي بهينه وجود دارد كه پارامترهاي ماشينكاري به بهترين حالت مي‌رسد و همچنين مشاهده شد استفاده از مكانيزم ساخته شده مي‌تواند نسبت به حالت مكانيزم وزنه و قرقره و حالت عدم استفاده از مكانيزم، از ايجاد لب پرشدن سوراخ و اضافه برش جلوگيري كند.

236995

جامدات

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان