دريل کاري کامپوزيتهاي کربني به کمک مته

Oneshot ‘ ‘ .
بخش اول : تشريح مراحل پنج گانه حفاري و فاکتورهاي تأثيرگذار بر بيشترين ميزان نيرو و گشتاور پيچشي :
[مؤلفين : مارتافرنادز ، کريس کوک . تاريخ دريافت مقاله ۲۳ سپتامبر ۲۰۰۴ تاريخ پذيرش مقاله ۲۲ مارس ۲۰۰۵ ، تاريخ ارائه Online مقاله ۶ ژوئن ۲۰۰۵ ].
مرکز آموزش ، الکترونيک ، کامپيوتر و مهندسي ارتباطات ، دانشگاه والن گان ،خيابان North fields ، شماره ۲۵۲۲ ، NSW ، استراليا .

چکيده مقاله :
نيروي پيش بري و گشتاور پيچشي ايجاد شده در طول انجام عمليات دريل کاري يا حفاري دربرگيرنده اطلاعات با اهميتي در رابطه با کيفيت حفره ايجاد شده و سطح مطلوب براي نوک مته مي باشد . در اين مقاله نيروها و گشتاور پيچشي (تورک) ايجاد شده در طول عمليات سوراخ کاري کامپوزيتهاي کربني ، که در آنها از الياف کربني استفاده شده است ،به کمک يک دريل ‘ oneshot’ مورد بررسي و تشريح قرار مي گيرد . علائم موجود در دامنه زماني بر مراحل تقسيم مي شوند و مشکلات متداول و عيوب مرتبط با آنها در هر مرحله زماني تشريح و بررسي مي گردد .
همچنين نشان داده مي شود که چطور پوشش سطحي ابزارآلات و ضخامت قطعه کارها بر روي نيروي پيش بري و گشتاور پيچشي ايجاد شده در طول عمليات سوراخ کاري تأثير مي گذارد . نتايج و يافته هاي به دست آمده در اين مقاله به منظور بهينه کردن و توسعه مدلهاي رياضي مرتبط با افزايش حداکثري نيروي پيشبري به کار مي روند که اين مسئله در بخش دوم از همين مقاله ارائه شده است که مي توان آنرا منبعي ارزشمند براي بهينه سازي هاي آتي در زمينه سوراخ کاري کامپوزيتهاي کربني به وسيله مته هاي دريل ‘ oneshot’ دانست .
کلمات کليدي : سوراخ کاري ، کامپوزيت کربن ،پوشش سطحي ابزار آلات .
« تمام حقوق انتشار براي کمپاني السوير محفوظ مي باشد ۲۰۰۵ » .

۱٫ مقدمه :
اگر چه الياف کربني از جنس فلز نمي باشند ، اما سالهاست که در صنايع از اين الياف استفاده مي شود و به اصطلاح مي گويند : « آنرا مانند فلز ببُر» نتايج اين نظريه معمولاً ايجاد پوشش هاي غير معمول مي باشد . در مواردي که ماندگاري ويژه بالا و کيفيت بالايي همچون نوک مته هاي دريل در سوراخ کاري کامپوزيتها مورد نظر است مي توانيم کارايي دريل هاي پيچشي را بهبود ببخشيم

. در اين حالت موانعي در سوراخ کاري رشته هاي کربني وجود د ارد . ذوب و قالب ريزي و صافکاري اين سطوح در چنين شرايطي مورد توجه مي باشد . ورق کاري را معمولاً به نحوي انجام مي دهند که اثرات نيروهاي اعمالي ايجاد لبه نکند . محققين مطالعات فراواني بر روي اين پديده انجام داده اند .و براي دستيابي به چنين ورق کاري مطلوبي بايد بر روي کنترل نيروهاي رانشي در طول عمليات کار کرد . براده هاي ورق کاري که در طول انجام عمليات سوراخ کاري کامپوزيتهاي کربني

ايجاد مي کردند ذراتي بسيار خشک و زبر هستند . ايجاد براده هاي زياد و استخراج اين براده ها تا حد زيادي به بالا بودن نسبت پوششي ابزار کار مربوط مي شود . پوشش سطح ابزار با عمليات ورق کاري ارتباط نزديکي دارد و نيرويي لازم براي برش مواد با توجه به نوع پوشش ابزار افزايش مي يابد . مطالعات فراواني توسط مؤلفين اين مقاله بر روي عمليات پوشش ابزار آلات به منظور بهره

گيري از آنها در دريل کاري کامپوزيتهاي کربني ، با توجه به اثرات پوشش ابزار آلات بر روي نيروها و کيفيت حفره اي که نهايتاً ايجاد مي شود ، صورت گرفته است . اغلب اين مطالعات و بررسي هاي انجام گرفته ،به کمک دريل هاي دوراني صورت پذيرفته است . يافتن درکي بهتر از پروسه سوراخ کاري کامپوزيتهاي کربني و با توجه به تغيير شکل مته هاي مصرفي در عمليات دريل کاري به منظو

ر بهبود و بهينه سازي پروسه دريل کاري ، ضروري به نظر مي رسد . در اين مقاله ،عمليات دريل کاري کامپوزيتهاي کربني با استفاده از مته دريل ‘ oneshot’ مورد تحليل آناليز قرار گرفته است . نيروهاي رانش و گشتاور پيچشي ايجاد شده طي مراحل دريل کاري با توجه به مراحل مختلف و

اثرات خاص اين مراحل تشريح گرديده است . اثر پوشش ابزار آلات بر روي اين نيروها نيز مورد مطالعه قرار گرفته است . اين آناليزها مبناي مدلسازي عمليات مذکور را ،همانطور که در بخش ۲ از اين کار تحقيقاتي ارائه شده است ، تشکيل مي دهند و ما را به سمت بهينه کردن توليد و افزايش کيفيت عمليات دريل کاري هدايت مي نمايد .
۲٫ شرايط آزمايشي
آزمايشات به کمک يکسري مبناهاي سنجشي مربوط به دريل کاري ( شکل ۱ را ملاحظه فرمائيد ) انجام مي گيرند . محور مذکور که در شکل ۱ نشان داده شده است توسط يک موتور AC دوران مي کند و قطعه کار مورد نظر به دريل تغذيه مي گردد و همزمان يک موتور DC بر روي يک پيچ خطي

کوپل مي گردد . ۶ حسگر نيروي محوري براي اندازه گيري نيروهاي رانشي گشتاورهاي پيچشي در طول عمليات تغييرات را کنترل مي کنند . از يک مدار کنترلي ، با کاربرد عمومي به منظور کنترل سرعت محور و نرخ تغذيه استفاده مي شود و در طول عمليات از حسگرهاي ۱HZ براي کنترل نيرو استفاده مي گردد . اطلاعات به دست آمده از عمليات دريل کاري به کمک يک نرم افزار با فيلترهاي تثبيت شده ۱۰HZ فيلتر مي شوند . مته ۴٫۹ ميليمتري ( شکل ۲ ) که از شرکت استرلينگ کربيد ( carbide . com http://sterling ) تهيه شده است در اين آزمايش استفاده شده است . اين دريل با توجه به منظور ما که سوراخ کاري کامپوزيتها کربني مي باشد طراحي

شده است و از چهار فلوت طولي و ۲ برش با زواياي مختلف در طراحي آن استفاده شده است و طراحي مشابه طراحي مته هاي ‘dragger’ مي باشد . بريدگي هاي مستقيم با هدف برداشت سريع براده و تراشه هاي ايجاد شده در حين سوراخ کاري طراحي شده است . از خصوصيات قابل توجهي که در مورد اين مته دريل بايد آنرا در نظر بگيريم اين است که به نحو چشمگيري موجب کاهش نيروي لازم براي دريل کاري مي شود . دارا بودن دو زاويه برش متفاوت براي گشادکردن سوراخ موجب مي شود که در يک عمليات دو هدف انجام گيرد . از کامپوزيت کربن ـ اپوکسي ۵٫۵ , ۲ ميليمتري در اين آزمايش استفاده شده است . صفحات الياف کربن در نمونه هاي ۵*۷ سانتيمتري بريده مي شوند و به منظور ثابت شدن نتايج آزمايش از سه شکل قرارگيري مختلف

استفاده مي شود : صفحات منفرد با عمق ۵٫۵ , ۲ ميليمتر و يک قطعه ۲ ميليمتري که معمولاً در صنعت براي دريل کاري دو صفحه وبه منظور بستن آنها به يکديگر استفاده مي شود . در اين بررسي بيش از ۳۵۰ حفره دريل کاري شده ايجاد گرديد . هر يک از حفره ها با سرعت يکسان و ثابت محور و سرعت يکسان تغذيه ايجاد شدند . سرعت هايي که براي محور مورد استفاده قرار گرفت ۷۵۰ ، ۱۰۰۰ ، ۱۵۰۰ متر در دقيقه بود و سرعت تغذيه نيز در حدود ۷۵٫ ۱ ، ۱ و ۵ .۱ ، ميليمتر در ثانيه در نظر گرفته شد . اگر چه در اين حالت ۸ حالت مختلف براي سرعتهاي تغذيه در

نظر گرفته شد که تغييرات آنها در دامنه ۰٫۰۳ تا ۰٫۱۲ ميليمتر بر دور بود . دامنه تنظيمات در حدود مشخصي تعيين و ثابت شد تا از بروز مشکل در سرعتهاي بالا براي محور پيشگيري بعمل آيد .
۳٫ نيروي پيشروي ، گشتاور پيچشي و مراحل دريل کاري :
نيروهاي پيشرو از قبيل Fz و گشتاور پيچشي Tz در طول عمليات سوراخ کاري الياف کربن به وسيله دريل ‘ oneshot’ مطابق با آنچه در شکل ۳ مشاهده مي کنيد ، ايجاد مي گردد . تنظيمات مختلف براي سوراخکاري شکل عمومي کار را تغيير نخواهد داد بلکه بر روي بزرگي نيروهاي پيشروي و گشتاورهاي پيچشي (تورک) ايجاد شده تأثير خواهد گذاشت . ضخامت قطعه کار نيز بر روي مقادير نيروي پيشروي تأثير خواهد گذاشت . عمليات سوراخ کاري را مي توان با تقسيم مراحل دريل کاري به ۵ مرحله به نحو مطلوب تري تشريح نمود : ( همانند آنچه که در شکل ۴ نشان داده شده است ) .
۱-۳ – مرحله آغازين I :
در مرحله اول مته دريل به قطعه کار نزديک مي گردد . با استفاده از قلم و قرار گرفتن نوک آن بر روي قطعه کار و فشار دادن آن بر روي نمونه اثر ايجاد مي گردد . در طول اين مرحله به سرعت نيروي پيشروي افزايش مي يابد . همچنين ميزان گشتاور پيچشي نيز افزايش مي يابد ، البته ميزان رشد گشتاور پيچشي نسبت به نيروي رانشي کمتر مي باشد . آرام بودن روند افزايش گشتاورپيچشي به کوچک بودن قطعه مته دريل در نوک سطح تماس بر مي گردد . مشکلات احتمالي که بروز پيدا مي کنند شامل گير کردن مته ، کج شدن و يا منحرف شدن مته مي باشد ، که بروز هر يک از اين اتفاقات احتمالي منجر به تغيير يافتن موقعيت حفره ايجاد شده و تخريب آن مي گردد .

۲-۳- مرحله II ، دريل کاري :
خروج مواد به صورت قطعات نواري در مرحله II آغاز مي گردد . در اين مرحله نيروي پيشروي افزايش مي يابد و با برش خوردن لبه هاي مسير ميزان آن افزايش مي يابد . گشتاور پيچشي به طور پيوسته در اين مرحله افزايش مي يابد . در شکل ۳ مي توانيم سقوط و نزول ناگهاني نيروهاي پيش بري را مشاهده کنيم . که اين اتفاق پس از عبور از دومين لايه نمونه مزبور خواهد افتاد .که اين

حالت به نحوه گذر از فاصله بين دو ماده بستگي دارد . اگر چه لايه ها به طور کاملاً پيوسته به يکديگر مرتبط شده اند ، به دليل جريان و شکاف هواي ايجاد شده توسط نيروي رانش که توسط نيروهاي ايجاد شده در لبه حفره به وجود مي آيد زماني که دريل در مرحله سوراخکاري دوم قرار دارد ممکن است اين نيروها با توجه به اندازه و ابعاد شکاف هواي ايجاد شده کم و زياد شوند . عبور از يک لايه و رسيدن به لايه ديگر اثر بر روي گشتاور پيچشي ندارد و از اين لحاظ بر روي کيفيت تأثير گذار نمي باشد . اگرچه در اين حالت نيروهاي نامشخص نيز به وجود مي آيند . ورقکاري و نو

ع پوشش ابزار ، عموماً با اين مرحله ( مرحله II ) به لحاظ مقادير بالاي نيروهاي رانشي و گشتاور پيچشي مرتبط مي باشد . احتمال اينکه به دليل وجود فشار ناشي از لبه هاي کار ، ورق کاري مواد با فشار مضاعفي همراه باشد ، همواره وجود خواهد داشت .

۳-۳- مرحله III دريل کاري و گشادکردن حفره :
مرحله ۳ زماني آغاز مي شود که عمق سوراخ کامل شده و به انتها رسيده باشد . نيروهاي رانشي ،در اين هنگام به طور ناگهاني افت شديدي پيدا مي کنند و در اين هنگام است که لبه هاي حفره از آن سوي قطعه کار خارج مي شوند . همچنان که مته دريل راه خود را به آنسوي قطعه باز مي کند شيارهاي انتهايي آن وارد قطعه کار مي گردند . نيروهاي رانشي تا زماني که لبه هاي بريده شده به خارج از سوراخ جريان داشته باشند همچنان کاهش مي يابند . در اين حالت گشتاور پيچشي به دليل وجود نيروهاي اصطکاکي مابين سطح دريل و ديواره هاي سوراخ ، مدام کاهش مي يابد . به دليل افزايش دماي قطعه امکان افزايش اصطکاک وجود دارد . در طول انجام آزمايشها مشاهده شد که پيک گشتاور پيچشي ممکن است در هر مرحله زماني از اين مرحله ( مرحله III ) ايجاد گردد . براي تشريح مدل ، گشتاوري پيچشي ايجاد شده در اين مرحله با توجه به خطوط مستقيم تفسير مي گردد . به اين ترتيب تغييرات گشتاور پيچشي در طول کار به وضوح مشخص مي گردد . اين مرحله ترکيبي از دو عمليات سوراخ کاري و گشادکاري مي باشد ، بنابراين مشکلاتي که در اين دو مرحله برشي ،شناخته شده مي باشند ، ممکن است بروز نمايد . اگر چه احتمال خطر در اين مرحله نسبت به مرحله قبلي کمتر است ، که اين به دليل کمتر بودن نيروهاي رانشي در اين مرحله از کار مي باشد . مشکل تکميل سطح در اين حالت وجود دارد زيرا سطح در اين مرحله داراي لرزش بيشتري مي باشد .