جلسه دفاع پایان نامه کارشناسی ارشد (آقای امیرحسین فرقانی اله‌آبادی)
موضوع: طراحی و ساخت مکانیزم کنترل نیروی پیش‌بار در ماشین‌کاری فراصوتی
ارائه دهنده: امیرحسین فرقانی اله‌آبادی
استادان راهنما: دکتر علیرضا فدایی‌تهرانی، دکتر امین‌اله محمدی
استاد مشاور: دکتر سعید بهبهانی
استادان داور: دکتر محمد رضا فروزان، دکتر محمد دانش
چکيده
ماشین‌کاری فراصوتی به‌عنوان یکی از روش‌های نوین ماشین‌کاری، به دلیل قابلیت ماشین‌کاری مواد سخت، ترد و... توجه ویژه‌ای یافته است. این فرآیند بر پایه انتقال ارتعاشات مکانیکی با فرکانس 20 تا 40 کیلوهرتز از طریق ابزار و مواد ساینده به سطح قطعه‌کار استوار است که موجب حذف ماده به واسطه کوبیده شدن ذرات ساینده موجود در محیط ماشین‌کاری بر روی سطح قطعه‌کار میشود. در این میان، نیروی پیش بار که به نیروی ثابت و کنترل شده‌ای گفته میشود که به طور مداوم بر روی قطعه‌کار اعمال میشود، نقش کلیدی و تعیین‌کننده‌ای در عملکرد بهینه فرآیند دارد. نیروی پیش بار به‌عنوان عاملی برای حفظ تماس پیوسته و مؤثر بین ابزار و دوغاب ساینده و قطعه عمل کرده و تضمین‌کننده انتقال مطلوب انرژی ارتعاشی به سطح قطعه است. مقدار این نیرو مستقیماً بر مکانیزم انتقال انرژی ارتعاشی، نرخ برداشت ماده، توزیع تنش‌ها و سایش ابزار اثرگذار است. از دیدگاه مکانیکی، نیروی پیش‌بار باعث ایجاد فشار تماس بین سطح ابزار و قطعه‌کار میشود که باید به‌گونه‌ای تنظیم گردد که ضمن حفظ تماس مستمر و جلوگیری از لغزش، از اعمال نیروهای بیش از حد که منجر به خستگی مکانیکی ابزار و قطعه میشود، جلوگیری کند. مدل‌های دینامیکی فرآیند نشان می‌دهند که نیروی پیش‌بار، در تعادل با نیروی ارتعاشی فراصوتی و نیروهای مقاوم محیط ساینده قرار دارد و کنترل بهینه آن می‌تواند باعث کاهش دامنه ارتعاشات ناخواسته و افزایش کارایی فرآیند شود. به عبارتی دیگر، نیروی پیش‌بار به‌عنوان پارامتری بحرانی، تعادل بین انرژی ورودی و مصرف شده در کاهش ماده را تنظیم می‌کند. از لحاظ تجربی، مطالعات نشان داده‌اند که افزایش نیروی پیش‌بار تا حد مشخصی باعث افزایش نرخ برداشت ماده و بهبود کیفیت سطح میشود، اما فراتر از آن نقطه، به دلیل افزایش سایش ابزار و فشارهای موضعی بیش از حد، عملکرد فرآیند دار افت می‌گردد. به‌علاوه، کنترل دقیق نیروی پیش‌بار می‌تواند نقش مهمی در کاهش تنش‌های حرارتی و مکانیکی ایجاد شده در قطعه‌کار و در نتیجه جلوگیری از آسیب‌های داخلی و ترک‌خوردگی ایفا کند. بنابراین، طراحی سیستم‌های ماشین‌کاری فراصوتی نیازمند مدل‌سازی جامع نیروی پیش‌بار به همراه پارامترهای ارتعاشی، خواص مواد، و شرایط عملیاتی است. این امر زمینه‌ساز بهینه‌سازی فرآیند، افزایش عمر ابزار و دستیابی به کیفیت سطح موردنظر در صنایع پیشرفته‌ای چون هوافضا، پزشکی، و الکترونیک است. هدف از انجام این پژوهش طراحی و ساخت مکانیزمی است که بتوان نیروی پیش‌بار را اعمال و کنترل کرد. روش کنترل و اعمال نیروی پیش‌بار در این پژوهش به این صورت است که سروو موتور با اعمال گشتاور ثابت، بر روی بال اسکرو سبب پیشروی ابزار به سمت قطعه‌کار میشود و حسگر نیروسنج در محل اتصال ابزار نصب شده است و زمان برخورد ابزار با مواد ساینده و قطعه‌کار، نیروسنج، نیروی پیش‌بار وارد شده را اندازه‌گیری می‌کند و اگر این نیرو کمتر از نیروی پیش‌بار تعیین شده باشد پیشروی تا رسیدن به نیروی تعیین شده ادامه پیدا می‌کند و اگر از نیروی تعیین شده بگذرد مقداری ابزار بر‌می‌گردد تا آسیب به قطعه‌کار و ابزار وارد نشود و نیروی پیش‌بار وارد شده کمتر از نیروی تعیین شده بشود و سپس دوباره پیشروی ادامه پیدا می‌کند تا فرآیند براده‌برداری انجام شود. صحت‌سنجی مکانیزم کنترل نیروی پیش‌بار به‌عنوان یک مرحله کلیدی در ارزیابی عملکرد سیستم مطرح میشود. در این پژوهش، دو روش متفاوت برای صحت‌سنجی مکانیزم کنترل نیروی پیش‌بار موردبررسی قرار گرفت. روش اول با استفاده از یک ترازوی دیجیتال با ظرفیت ۵۰۰ گرم و دقت 0.01 گرم به‌عنوان ابزار اندازه‌گیری، روشی ساده و قابل‌اعتماد برای بررسی میزان نیروی اعمال‌شده در نقطه تماس ابزار و قطعه‌کار فراهم شد. به این صورت که یک قطعه‌کار روی ترازوی دقیق گذاشته شد و با استفاده از ابزار و پیشروی به‌وسیلة حرکت سروو موتور بر روی آن نیرو وارد شد و نیروی اندازه‌گیری شده توسط ترازوی دقیق با نیروی پیش‌بار اندازه‌گیری‌شده توسط حسگر نیروسنج مکانیزم مقایسه شد. روش دوم ابزار با نرخ پیشروی 0.1 میلی‌متر بر دقیقه، ابزار به سمت قطعه‌کار حرکت کرد و قطعه‌کار زیر فشار نیروی پیش‌بار گذاشته شد و نیروی نهایی وارد بر قطعه‌کار که بعد از آن ابزار شروع به حرکت به سمت بالا می‌کند ثبت شد.
کلمات کلیدی: ماشین‌کاری فراصوتی، ماشین‌کاری مدرن، نیروی پیش‌بار، کنترل پیشروی