مهندسی مکانیک - اثرات پارامترهای جت آب با ذرات ساينده سراميکی بر عمق برش

چکيده

            جت آب همراه با ذرات ساینده یکی از روش­های نوین برشکاری است که محدوده کاری وسیعی در برش مواد سخت را دارد. در این مقاله به ارزیابی مهمترین پارامترهای موثر بر عمق برش که قابلیت اندازه­گیری در فرآیند جت آب با ذرات ساینده سرامیکی را دارند پرداخته می­شود. در این فرآیند، آزمایش­هایی با تغییر در متغیرهای فشار آب، سرعت حرکت نازل، سرعت حرکت ذرات ساینده و فاصله نازل تا قطعه کار صورت پذیرفته است. اثرات پارامترها بر روی عمق برش، اساس بررسی نتایج آزمایش­ها خواهد بود. بدین منظور برای انتخاب صحیح پارامترهای فرآیند نیازمند یک مدل تجربی برای پیش­بینی عمق برش با جت آب با ذرات ساینده سرامیکی هستیم و به همین خاطر استفاده از تحلیل رگروسیون گسترش یافته است. این مدل بر مبنای نتایج تجربی توسعه یافته که نشان دهنده کاربرد بالای این مدل در محدوده تجربی است.

1-   مقدمه

برش جت آب با ذرات ساینده دارای ویژگی­های ممتاز مختلفی نسبت به سایر روش­های نوین برشکاری است، به عنوان مثال عدم وجود تغییر شکل حرارتی، عدم نیاز به ماشینکاری زیاد، ایجاد کمترین تنش در قطعه کار، انعطاف­پذیری بالا و نیروی کم برش این تکنولوژی را برای تولید مواد مختلف مهندسی پرکاربرد کرده است. این فرآیند نسبت به سایر روش های برشکاری مرسوم در تولید مواد گوناگون دارای برتری­هایی است به همین دلیل در صنعت بیشتر مورد استفاده قرار می­گیرد. در این روش یک جریان ذرات ساینده­ی کوچک وجود دارد که نشان دهنده انتقال حرکت جت آب به ذرات ساینده است. مهمترین نقش آب شتابدار کردن ذرات ساینده به منظور رسیدن به سرعت زیاد و رسیدن به یک جت منسجم است که برای انجام برش به سمت ناحیه کاری هدایت می­شود. این روش مقرون به صرفه و دوستدار محیط زیست است و می­تواند برای فرآیند مواد مهندسی که به سختی برش داده می­شوند (مثل سرامیک­ها) مورد استفاده قرار گیرد. با این حال جت آب با ذرات ساینده سرامیکی دارای محدودیت­ها و موانعی است. دستگاه جت آب صدای زیادی تولید و محیط کاری را کثیف می کند، همچنین ممکن است لبه­های مخروطی شکل در برش ایجاد کند، بخصوص در مواقعی که پیشروی برش (دستگاه) زیاد باشد. مانند همه­ی فرآیندهای ماشینکاری، کیفیت برش جت آب با ذرات ساینده سرامیکی به طور قابل توجهی تحت تاثیر میزان پارامترها است. در این روش پارامترهای زیادی وجود دارد، به عنوان مثال فشار آب، سرعت حرکت مواد ساینده، سرعت پیشروی جت، فاصله standoff و قطر سوراخ نازل از مهمترین پارامترها می­باشند که باید به دقت مورد کنترل قرار گیرند. از وظایف واحد اصلی در فرآیند جت آب، رسیدن به عمق برش، پهنای برش و کیفیت سطح است. تعدادی از روش­ها هدف بهبودی کیفیت برش و سطح را دنبال می کنند. در این مقاله عمق برش به عنوان عملکرد قابل اندازه­گیری در بسیاری از کاربردهای صنعتی مطرح شده که این نیز یکی از محدودیت­های اصلی در کاربردهای این فرآیند است. برای آنکه فرآیند جت آب با ذرات ساینده سرامیکی به طور موثر کنترل و بهینه شود مدل­هایی جهت پیش­بینی عمق برش در آلومینیوم، فولاد زنگ­نزن، برنج، مس، تیتانیوم و ... در حال توسعه است. اما هیچ گونه مدلی برای سرامیک­های مطرح شده در این مقاله توسعه نیافته است. تا درک کامل تاثیر پارامترهای مهم فرآیند در عمق برش به وسیله سرامیک­ها راه زیادی در پیش است. این مقاله پارامترهای فرآیند برش جت آب با ذرات سرامیکی را بر عمق برش ارزیابی می­کند. یک مدل برای پیش­بینی عمق برش در جت آب با ذرات سرامیکی با استفاده از تجزیه و تحلیل رگرسیون توسعه یافته است. آزمایش­های تجربی صحت مدل ارائه شده را تایید می­کند.

 

2-   کار تجربی

2-1-      مواد

مواد مطرح شده در این مقاله سرامیک­ها هستند. کاربردهای زیادی در صنایع مختلف از سرامیک­های و در فرآیندهای سرامیکی دقت بالایی برای حذف مواد وجود دارد. این گزارش برای سختی، مقاومت خوردگی، واکنش الکترومغناطیسی و .................... است. مدول الاستیسیته سفال استفاده شده برای نمونه­های سرامیکی برابر MPa230000 و نیروی جاری شدن مواد (حد تسلیم) برابر MPa20100 در نظر گرفته می­شود. ابعاد این سفال­های سرامیکی برابر 25.4*100*150 میلی­متر است.

 

2-2-      تجهيزات

            تجهیزات مورد استفاده برای ماشینکاری نمونه، جت برش سوئدی شرکت KMT است که مجهز به پمپ فوق العاده قوی با قابلیت ایجاد فشار 4000 است. این دستگاه مجهز به یک نوع تغذیه گرانشی برای محفظه ذرات ساینده، سیستم تغذیه ذرات ساینده، یک شیر کنترل کننده پنوماتیک و یک میز کار به ابعاد 1500*3000 میلی­متر است. به منظور تنظیم کردن فشار و شکل جت آب با ذرات ساینده از سوراخی بر روی یاقوت و یک نازل کاربیدی استفاده می­شود. طرحی از فرآیند برش جت آب با ذرات ساینده در شکل شماره 1 نشان داده شده است.

            در سراسر آزمایش نازل به طور پیوسته مورد بازرسی قرار می­گیرد و در صورت از بین رفتن نازل آن را تعویض می­کنند. دهانه برش جت آب با ذرات سانده در شکل شماره 2 نشان داده شده است.

            ذرات ساینده با استفاده از هوای فشرده موجود در محفظه مخلوط­کن انتقال داده می­شوند و با صفحه اندازه­گیری کنترل می­شوند. فشار جت آب با ذرات ساینده با استفاده از فشار­سنج کنترل می­شود. در ایستگاه کنترل، فاصله نازل تا قطعه کار کنترل می­شود. سرعت حرکت به صورت اتوماتیک به وسیله برنامه جت آب ذرات ساینده (کد NC) کنترل می­شود. خرده فلزات و دوغاب در محفظه­های گیرنده جمع می­شوند.

 

2-3-      طرح آزمايش

برای رسیدن به یک برش کامل نیازمند به ترکیب فرآیندها هستیم تا انرژی کافی برای نفوذ به نمونه را بدست آوریم. در مطالعات اخیر چهار پارامتر فرآیند به عنوان فاکتورهای کنترل انتخاب شده­اند. در برخی مقالات پارامترهای مربوط به سطح انتخاب شده، مبنای بررسی قرار گرفته است که این پارامترها برای جت آب با ذرات سرامیکی شامل ورقه ورقه بودن گرافیت (اپوکسی نوعی رزین است)، روکش فلزی ورقه فولادی و فیبرهای تقویت شده پلاستیکی است. طرح آزمایش تاگوچی برای طرح­ریزی آزمایش­ها استفاده می­شود. چهار پارامتر فرآیند یعنی فشار آب، سرعت حرکت نازل، سرعت جریان مواد ذرات ساینده و فاصله نازل تا قطعه کار در سه سطح در جدول 1 نشان داده شده است.

 

3-     نتايج تجربی و بحث

با تحلیل داده های آزمایش، به این موضوع می رسیم که این فرآیند به چهار پارامتر فشار آب، سرعت حرکت مواد ساینده، سرعت حرکت نازل و فاصله نازل تا قطعه کار نازل وابسته است، نتایج به دست آمده با نتایج بدست آمده از مطالعات گذشته برای عمق برش با مواد دیگر همخوانی دارد. تاثیر هر کدام از این پارامترها در حالی که دیگر پارامترها ثابت نگه داشته شده اند، مورد بررسی قرار گرفته است.

 

3-1- تاثير فشار آب بر عمق برش

            تاثیر فشار آب بر عمق برش در شکل شماره 3 نشان داده شده است. نتایج نشان می دهد که در محدوده عملیاتی انتخاب شده افزایش فشار آب سبب افزایش عمق برش  می شود در حالی که سرعت حرکت جرم مواد ساینده، سرعت حرکت نازل و فاصله نازل تا قطعه کار ثابت نگه داشته شده است. زمانی که فشار آب افزایش می­یابد انرژی جنبشی بیشتر شده و درنتیجه عمق برش افزایش میابد.

3-2- تاثير سرعت حرکت جرم مواد ساينده بر عمق برش

            افزایش سرعت حرکت جرم(دبی جرمی) مواد ساینده نیز باعث افزایش عمق برش می شود که در شکل شماره 4 نشان داده شده است. این در حالی است که فشار آب، سرعت حرکت نازل و فاصله standoff ثابت نگه داشته شده است. ضربه بین ذرات ساینده و مواد توانایی و قدرت برش جت آب با ذرات ساینده را تعیین می کند. پس از برش، سرعت ذرات ساینده و فرکانس ضربه ذرات ساینده، هر دو مهم هستند. سرعت ذرات نیروی تکانه ای به مواد اعمال می کنند و انرژی پتانسیل از ذرات به مواد انتقال پیدا می کند. سرعت انتقال انرژی را فرکانس ضربه تعیین می کند و در نتیجه باعث افزایش سرعت رشد عمق برش می شود. سرعت حرکت ذرات ساینده تا حدودی فرکانس برخورد ذرات و سرعت برخورد آنها را تعیین می کند. برای افزایش زیاد سرعت حرکت ذرات ساینده باید به این نکته توجه داشت که  انرژی جنبشی آب باید بیشتر از ذرات ساینده باشد. در غیر این صورت عمق برش با افزایش سرعت حرکت جرمی پایین می آید.

 

3-3- تاثير سرعت حرکت نازل بر عمق برش

            سرعت حرکت نازل را سرعت پیشروی نازل در صفحه افقی در عملیات برشکاری گویند. نتایج به دست آمده نشان می دهد که در محدوده عملیاتی مشخص شده با افزایش سرعت حرکت عمق برش کاهش پیدا می کند با توجه به اینکه دیگر پارامترهای مطرح شده در مقاله ثابت نگه داشته شده اند. توقف لحظه­ای جت آب با ذرات ساینده در یک مکان خاص باعث ایجاد برش عمیق تری می شود، به این دلیل که جریان ذرات ساینده زمان بیشتری برای فرسایش مواد دارند. این تاثیر دو معنی دارد. در اولین زمان های توقف، ذرات ساینده با ضربه زدن به مواد باعث ایجاد آسیب های میکرونی می شود.

سپس جت آب ترک های میکرونی ایجاد می کند و فشارهای هیدرودینامیکی هستند که عامل رشد ترک هستند. زمانی که ترک های میکرونی رشد می کنند و به هم می رسند، باعث می شود مواد شکسته شود و عمق برش افزایش یابد. به این دلیل ارتباط معکوسی بین سرعت حرکت و عمق برش وجود دارد که در شکل شماره 5 نشان داده شده است.

 

3-4- تاثير فاصله نازل تا قطعه کار بر روی عمق برش

            فاصله نازل تا قطعه کار فاصله بین نازل و قطعه کار در مدت عملیات است. اگر ما بقیه پارامترهای عملیات را ثابت نگه داریم، زمانی که فاصله نازل تا قطعه کار را افزایش دهیم مطابق شکل شماره 6 عمق برش کاهش پیدا می کند. با این وجود در حالی که دیگر پارامترها ثابت نگه داشته شده باشند، فاصله نازل تا قطعه کار در عمق برش چندان حائز اهمیت نیست.

 

4-     مدل عملی برای عمق برش

از روی مشاهده و تجربه و داده های آزمایشگاهی که از طریق تکنیک تحلیل رگروسیونی (فرمول شماره 1) بدست آمده اند، مدلی جهت پیش بینی عمق برش گسترش یافته است. این مدل عمق برش را با چهار فرآیند مختلف فشار آب، سرعت حرکت نازل، فاصله standoff نازل و سرعت جریان مواد ساینده شرح می دهد.

(2)

 

 [ d_p ]=[ d_j ]=[ D_c ]=[ s ]= m  ,  [m_a ]=kg/s  ,  [ u ]=m/s

 [  ]=[  ]=kg/m³  ,  [ p ]= [ E ]= MPa

در مدل بالا، برای پارامترهای ذرات مورد نظر و محدودیت های ماشین قابل قبول است.

270 MPa < p < 400 MPa

4.2 mm/s < u < 6.6 mm/s

1.8 mm <s < 5 mm

4 g/s < m_a < 10 g/s

برای آسان کردن فهم تاثیرات پارامترهای فرآیند، معادله بالا را می توان به صورت معادله شماره 2 نوشت:

 (2)                      

5-     ارزيابی مدل

معادله شماره 2 از لحاظ کیفی و کمی با نتایج تجربی ارزیابی شده است. نتایج بدست آمده از مدل پیش بینی با داده های تجربی دارای خطایی برابر 4% است که این خطا قابل قبول است.

 

6-     نتيجه گيری

آزمایش هایی برای عمق برش در جت آب با ذرات ساینده سرامیکی انجام داده شد. اثرات مختلف پارامترهای عملیات مثل فشار آب، سرعت حرکت جرم ذرات ساینده، سرعت حرکت نازل و فاصله standoff نازل بر روی عمق برش بررسی شد. در این مطالعه، مشاهده شد که پارامترهای عملیات ارتباط مستقیمی با عمق برش دارند. یک مدل عملی برای پیش بینی عمق برش، در برش با جت آب با ذرات ساینده سرامیکی حاصل شد.

 

فهرست علائم اختصاری

            D_e ....................................................................................................  عمق برش

            M_a....................................................................  سرعت حرکت ذرات ساینده

             ..............................................................................................  چکالی ذرات

چگالی آب..................................................................................................

            D_j .......................................................................................................  قطر جت

            D_p ...................................................................................  اندازه متوسط ذرات

            u .....................................................................................   سرعت حرکت نازل

            P .........................................................................................................  فشار آب

            E ................................................................................. مدول الاستیسیته مواد

           S  ............................................................................... فاصله نازل تا قطعه کار

برچسب ها : اثرات پارامترهای جت آب با ذرات ساينده سراميکی بر عمق برش

نويسنده : mechanical-eng | نسخه قابل چاپ | 1 2 3 4 5
| تعداد بازديد : 75 | ديدگاه(0) |17 بهمن 1393