مقدمه

فرآیند ماشین کاري ارتعاشـی بـا اولتراسـونیک یکـی از

روشهاي ماشین کاري پیشرفته می باشد. در ایـن روش به ابزار برشی حـین عملیـات ماشـین کـاري، ارتعاشـی

تحت فرکانس و دامنـه ثابـت، اعمـال مـی گـردد. اگـر

ارتعاش اولتراسونیک در یک جهت (در جهت سـرعت برشـــی) اعمـــال گـــردد، ماشـــینکـــاري ارتعاشـــی
(Vibration Cutting-VC) و اگــر در دو جهــت (در

جهتهاي سرعت برشی و عمق بـرش) اعمـال گـردد، ماشینکـاري ارتعـاش بیضـوي ( Elliptical Vibration (Cutting-EVC میباشد.

مطالعــه فرآینــد EVC توســط شــاموتو [۱] در سال۱۹۹۳ انجام شد. او نشـان داد کـه اعمـال ارتعـاش

بیضوي به ابزار، مزیتهاي بهتري نسـبت بـه ارتعـاش

خطی از جمله، کـاهش بیشـتر نیـروي ماشـینکـاري و زبري سطح را داراست .[۲-۳]
شاموتو و موریواکی [۴] فرآیند برش ارتعاشی را در دو

جهت، با عنوان ماشین کـاري ارتعاشـی بیضـوي انجـام دادند. این نوع فرآیند باعث حرکـت ارتعـاش بیضـوي

ابزار می شـود کـه ضـخامت بـراده و نیـروي برشـی را

کاهش می دهد. آنان توسط عمل کننـده پیزوالکتریـک، ابزار تراشکاري را در دو جهت (بـا فرکـانس (۱۹KHz

مرتعش کردند و در تحلیل تئوري و عملی نشان دادنـد که نیروهاي ماشین کاري بسیار کمتر از حالتی است کـه ارتعـاش اولتراسـونیک در یـک جهـت اعمـال گـردد.

بابیتسکی و همکاران [۵] تحلیل غیر خطی به صـورت Vibro-impact بر روي فرآیند ماشین کاري ارتعاشی بـا
اولتراسونیک را انجام دادنـد. آنهـا نشـان دادنـد کـه بـا

اعمال مود Vibro-impact بر قطعه کار، تغییرات زیادي بر ویژگیهاي دینامیکی ماشینکاري حاصل می شـود و
پاسخ دامنه غیر خطی ابزار برشی را به دسـت آوردنـد.

ترانگ و همکاران [۶] با نصب یـک پیزوالکتریـک بـر

روي ابزار تراشکاري و انجام آزمایشVC، نشان دادنـد

که ابزار ارتعاشی، می تواند تابع پاسخ فرکانسی را بهینـه کنــد. بنــابراین پایــداري ماشــینکــاري در عملیــات

تراشکاري بهینه می گردد. ماشین کاري به کمک ارتعاش

اولتراســونیک روش پیشــرفته و مناســبی بــه منظــور ماشین کاري مـواد سـخت بـرش از قبیـل سـوپر آلیـاژ،

سرامیک، تنگستن و شیشه میباشد .[۷-۱۰]

در این تحقیق به بررسی ماشین کاري سـوپر آلیـاژ

In738 در فرآیندهاي EVC، VC و تراشکاري معمولی

(Ordinary Cutting-OD) پرداختــه مــیشــود. ایــن

آزمایش ها با استفاده از ابـزار ارتعاشـی دو جهتـه (کـه

قابلیت ارتعاش در یک جهت را دارد)، دسـتگاه تـراش

CNC انجـام مـیشـود. نیـروي ماشـینکـاري توسـط دینامومتر و زبري سطح در جهتهاي برشی و پیشروي اندازهگیري میشود. با تغییر پارامترهـاي ماشـین کـاري شامل سرعت برشی، پیشروي، دامنه ارتعـاش و زاویـه فاز، تأثیر تغییر این پارامترها بر نیروي ماشـین کـاري و زبــري ســطح در فرآینــدهاي EVC و VC بررســی میگردد.

فرآیندهاي VC و EVC

شکل (۱) نماي کلی فرآینـدهاي VC و EVC را نشـان

میدهد.

شکل -۱) الف) فرآیند VC را نشان میدهد. ابـزار

برشـی بـه صـورت خطـی در جهـت سـرعت برشـی، ارتعاش میکند در این فرآیند:

x  asin(2ft) ,
(1) Vibration Speed = 2fa cos(2ft)

a دامنــه ارتعــاش، f فرکــانس ارتعــاش و t زمــان

میباشد.

۱۸

سعید امینی- محمدجواد ناطق- امیر عبدا… سال بیست و سوم، شماره دو، ۱۳۹۱

گام

(الف) (ب)

شکل ۱ فرآیندهاي الف) VC و ب) EVC

شــکل -۱) ب) فرآینــد EVC را در زمــانهــاي

مختلـف نشـان مـیدهـد. شـروع بـرش در زمـان t1

می باشد. پس از گذشت مدت کمی تا زمـان t2 ، بـراده بر سطح براده ابزار مینشیند. ایـن قسـمت کـم ممکـن است عملیات کشیدن بر روي قطعه کار یا Burnishing

باشد که به دلیل داشتن شعاع نوك ابزار میباشد. بعد از زمـان t2 ، قطعـه کـار، بـرش مـییابـد و بـراده شـکل میگیرد. t6 زمانی است که مماس بـر مسـیر بـرش و همراستا با جهت برشی مـی شـود؛ کـه در ایـن لحظـه، جهت اصطکاك عکس می شود. در نزدیـک زمـان t6 ،

ابزار با براده در جهت برش بـا هـم حرکـت مـیکننـد بدون این که اصطکاك یک دفعه تغییر جهت بدهد کـه به دلیل وجود الاستیسیته می باشـد. ابـزار در زمـان t5 ،
زمانی که مماس بر منحنی حرکت منطبق با سطح براده

ابزار گردد، از قطعه کار جدا می شود. نیروي اصـطکاك

کاهش یافته یا عکس شده باعث کاهش نیروي برشـی، انــرژي و تمرکــز حــرارت مــیشــود. از t1 تــا t6

تراشکاري معمولی است و مثل ابـزار ثابـت، بـراده بـر

روي سطح براده ابزار حرکت می کند. اختلاف سـرعت ابزار و براده مثل تراشکاري معمولی است. از t6 تا t5

ابزار با براده به سمت بالا حرکت مـی کنـد و اخـتلاف سرعت ابزار و بـراده تغییـر مـی کنـد و جهـت نیـروي اصطکاك تغییر می کند. پس در EVC زاویه  بزرگتـر

می شود و این باعث کـاهش نیـروي اصـلی در جهـت

سرعت برشی (Principal Force) میشود.

در این فرآیند:

x  asin(2ft) , y  bsin(2ft ) , Horizontal vibration Speed = 2fa cos(2ft)

(۲)

a , b دامنــههــاي ارتعــاش بیضــوي و  زاویــه فــاز

میباشند.

در فرآینـــدهاي EVC و VC، حـــداکثر ســـرعت ارتعاش افقی باید بیشتر از سرعت برشی باشد یعنی:
۲fa  vw (3)

به طوري که vw سرعت برشی میباشد.

آماده سازي فرآیندها

ابزار ارتعاشی ماشین کاري ارتعاش بیضوي بـا طراحـی مود ارتعاش خمشی و طـولی سـاخته شـده اسـت. بـا
طراحی ابزار ارتعاشی توسط نرم افزار Ansys و تحلیل

مودال و به دست آوردن بهترین شرایط مود خمشـی و طولی در فرکـانس مـورد نظـر، ابعـاد و هندسـه ابـزار ارتعاشی به دست میآید. شکل (۲) ابزار و تداخل مود خمشی و طولی آن را نشان میدهد .[۱۱]

۱۹

نشریه علوم کاربردي و محاسباتی در مکانیک

شکل ۲ ابزار ارتعاشی و تداخل مود خمشی و طولی آن [۱۱]

شکل (۳) ابزار ارتعاشـی سـاخته شـده بـه همـراه

سیستم کنتـرل آن را نشـان مـیدهـد. ایـن ابـزار داراي فرکــانس ارتعاشــی ۳۶٫۱۶ KHz و دامنــه ۰  ۴m

میباشد. سیستم کنترل، شامل دو ژنراتور و یک کنتـرل کننده مرکزي می باشد. با کنتـرل هرکـدام از ژنراتورهـا یک مود ارتعاشی تحت کنترل قرار مـیگیـرد و شـکل ارتعاش مورد نظر به صورت خطی، دایروي و بیضـوي حاصل میگردد.

تجهیزات اسـتفاده شـده بـراي انجـام آزمـایش هـا عبارتند از:

– دستگاه تـراش ۴ محـوره AHN05-Toyoda ) CNC

(co. براي انجام آزمایشهاي VC، EVC و.OC

– ابزار ارتعاشی که قابلیت اعمال ارتعاش یک جهتـه و

دو جهته را دارد، ایـن ابـزار داراي فرکـانس ارتعاشـی ۳۶٫۱۶ Khz و دامنه ۰ ۴m(p p) میباشد.

– دســتگاه انــدازهگیــري زبــري ســطح (ســاخت

شــرکت Kosaka بــا مــدل (ET4000A بــه منظــور

اندازهگیري زبري سطح در جهت پیشروي و در جهـت

سرعت برشی.

– دســتگاه Laser Vibrometer (مــدل(AT0042 بــه منظور اندازهگیـري فرکـانس، دامنـه و شـکل ارتعـاش

(دایرهاي، بیضوي و خطی) ابزار.

– دینامومتر با تحمل نیرویی ۲۵۰ N (سـاخت شـرکت Kistler مدل .(۹۰۵۰

– اینسرت المـاس تـک کریسـتال (بـا کـد PF-57047

تراشکاري ارتعاشی با اولتراسونیک یک جهته و بیضوي …

ساخت شرکت .(A.L.M.T.Corp.

– قطعه کار: سوپر آلیاژ In738 با قطر ۲۴ میلـی متـر و

طول ۲۲ میلی متر.

شکل ۳ ابزار ارتعاش بیضوي به همراه سیستم کنترل آن

آزمایشها

پس از آماده سازي قطعه کـار و انجـام عملیـات پـیش ماشین کاري بر روي آن و بستن ابزار و دیگر تجهیزات بر روي ماشین تراش CNC چهار محوره شـرایط کـار براي انجام آزمایشها مهیا گردید. شکل((۴ آماده سازي آزمایش ها پس از نصب ابزار ارتعاشی و قطعه کـار بـر روي دستگاه را نشان میدهد.

شکل ۴ آماده سازي آزمایشها

۲۰

سعید امینی- محمدجواد ناطق- امیر عبدا… سال بیست و سوم، شماره دو، ۱۳۹۱

مطابق شکل (۴) ابزار ارتعاشی بر روي دینـامومتر و محور B دستگاه تراش نصب شده اسـت. بـا کنتـرل

ابزار ارتعاشی میتوان شکل مورد نظر حرکـت ابـزار را

به صورت خطی، دایـروي و بیضـوي بـه دسـت آورد.

توسط این ابزار میتوان هـم ارتعـاش یـک جهتـه (در

جهت سرعت برشی) و هم ارتعاش دو جهته (بیضوي)

اعمال کرد. این ابزار داراي دو ژنراتور میباشد کـه هـر کدام ارتعاش را در یک جهت اعمال و کنترل مـی کنـد.
در صورتی که یک ژنراتور مشغول به کار باشد ارتعاش

یک جهته، اگر دو ژنراتور مشغول به کار باشد ارتعاش دو جهتــه و اگــر ژنراتورهــا خــاموش باشــند، فرآینــد

تراشکاري، معمولی میباشد.

حرکتهاي ابزار بـه صـورت دایـرهاي و خطـی و

فرکانس ارتعاشی توسط دستگاه Laser Vibrometer به دست آمد. این دستگاه ارتعاشـات ابـزار را در قسـمت

تحلیلگـر آن مـورد پـردازش و خروجـی آن بـر روي

صفحه نمایش دستگاه فانکشن ژنراتور نشان مـیدهـد.

نمونهاي از نتیجه حاصل از این اندازهگیـري در شـکل

(۵) آورده شده است. زاویه فاز بین دو جهت ارتعاشی،

شکل ارتعاش را مشخص می کند؛ بـه طـوري کـه اگـر زاویه فاز ۹۰ درجه باشد، شکل ارتعـاش دایـروي و در

زوایاي دیگر شکل ارتعـاش بیضـوي خواهـد بـود. در

شکل (۵) زاویه فاز ۱۳۵ درجه میباشد.

شکل ۵ نمودار شکل ارتعاش ابزار ارتعاشی

۲۱

تنظیمات لازم بر روي ژنراتورهـاي دسـتگاه ابـزار

ارتعاشی طوري صورت میگیرد که ارتعاش مورد نظـر مطابق شکل (۵) حاصل گردد. این کـار بـا تنظـیم سـه

ولوم که دو ولوم براي ارتعاش دو جهتـه و یـک ولـوم

براي تغییرات فاز میباشد، انجام میشود.

سپس شرایط آماده سازي آزمایش به ترتیـب زیـر

انجام شد:

– ماشین کاري اولیه بر روي قطعه کـار، بـه منظـور بـه دست آوردن شرایط هندسی مناسب قطعه کار متناسـب

با دقت دستگاه تراش .CNC

– تنظیمات بر روي دینامومتر ۲۵۰) نیوتنی) بـه منظـور

اندازهگیري نیرو.

– تنظیمات بر روي ژنراتور ابزار ارتعاشی متناسـب بـا دامنه ارتعاش و نحوه حرکت ابزار (خطی، دایـروي یـا بیضوي).

– تنظیم دقیق مرکز ابزار با مرکز سه نظام دستگاه. پارامترهاي مورد نظـر بـراي انجـام آزمـایشهـاي

EVC و VC شامل سرعت برشـی، سـرعت پیشـروي، عمق برش، فاز ارتعاشی و دامنه ارتعاش در جدول هاي
(۱-۳) آورده شده است.

طول ماشینکاري روي قطعه کار براي هـر مرحلـه آزمـــایش حـــدود ۰٫۷ mm اســـت و پارامترهـــاي
ماشین کاري فوق توسط برنامه نویسی CNC به ماشـین معرفی شد. براي آزمایشهایی که نیاز به تغییر دامنه یـا

فاز ارتعاشی دارند، توسط دسـتگاه Laser Vibrometer

شرایط تنظیم کنترلر ابزار ارتعاشی براي به دست آوردن

دامنه و شکل ارتعاشی مورد نظر بـه دسـت مـیآیـد و

موقع آزمایش همـان شـرایط بـه دسـت آمـده توسـط دســتگاه Laser Vibrometer، بــر روي کنترلــر ابــزار

ارتعاشی تنظیم می شود. نیروي ماشـین کـاري در حـین

آزمایش، توسط دینامومتر مربوطه اندازهگیري شد.