شماره تلفن : 09307584802

خانه ژورنال دانشجویان ایران

Iranian Students Article House

دريل کاری کامپوزيت های کربني به کمک نوک مته یک شات. بخش ۱: تشريح مراحل پنج گانه حفاری و فاکتورهای تأثيرگذار بر بيشترين ميزان نيرو و گشتاور

Drilling of carbon composites using a one shot drill bit. Part I: Five stage representation of drilling and factors affecting maximum force and torque

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.03.015

January 2006

 

Abstract

The thrust force and torque produced during drilling contain important information related to the quality of the hole and the wear of the drill bit [1]. In this paper, the force and torque produced during drilling of carbon fibre using a ‘one shot’ drill bit is investigated. The signals in the time domain were divided into stages and common problems and defects associated with each stage discussed. It is also shown how tool wear and thickness of the workpiece affect the thrust force and torque throughout the drilling process. The findings of this paper are used to develop a mathematical model of the maximum thrust force and torque as described on Part II of this paper and are a valuable reference for future optimisation of drilling carbon composites with a ‘oneshot’ drill bit

Keywords: Drilling, Carbon composite, Tool wear

 

دانلود مقاله انگلیسی

 

دريل کاري کامپوزيت هاي کربني به کمک نوک مته یک شات. بخش ۱: تشريح مراحل پنج گانه حفاري و فاکتورهاي تأثيرگذار بر بيشترين ميزان نيرو و گشتاور

چکيده
نيروي پيش بري و گشتاور 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 ايجاد شده در طول عمليات سوراخ کاري کامپوزيتهاي کربني، که در آنها از الياف کربني استفاده شده است، به کمک يک دريل یک شات 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 ايجاد شده در طول عمليات سوراخ کاري تأثير مي گذارد. يافته هاي به دست آمده در اين مقاله به منظور بهينه کردن و توسعه مدل هاي رياضي مرتبط با افزايش حداکثري نيروي پيش بري به کار مي روند که اين مسئله در بخش دوم از همين مقاله ارائه شده است که مي توان آن را منبعي ارزشمند براي بهينه سازي هاي آتي در زمينه سوراخ کاري کامپوزيتهاي کربني به وسيله مته هاي دريل یک شات دانست.
کلیدواژه: سوراخ کاري، کامپوزيت کربن ، خوردگی ابزار آلات

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 منظور 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 (http://www.sterlingcarbide.com/series_3200.htm) 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 نوع 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.

۴-۳ مرحله IV گشاد کردن :
در مرحله IV عمليات گشاد کردن حفره ها صورت مي گيرد. عمليات دريل کاري در اين مرحله با استفاده از بزرگترين سايز متناسب با نوع حفره صورت مي گيرد. مشکلاتي که در اين مرحله وجود دارد همگي مرتبط با سايز نهايي تکميلي در نظر گرفته شده براي حفره مي باشد. (عمليات دريل کاري نسبت به عمليات گشادکردن حفره داراي لرزش کمتري مي باشد و اين امر با سختي سطحي سيستم قطعه ـ مته مرتبط مي باشد)

۵-۳ مرحله V خروج از حفره :
مته دريل در مرحله V از سوراخي که ايجاد شده است خارج مي گردد. در اين مرحله نيز پروسه گشادکردن لبه هاي حفره ادامه مي يابد که اين تداوم تا زماني که بين مته و سطح تماسي وجود داشته باشد ادامه خواهد يافت، که اين امر با اندازه و تکميل نهايي مورد نظر که براي حفره طراحي شده است مرتبط مي باشد. در طول اين مرحله از کار نيروهاي پيش بري و گشتاور پيچشي، هر دو مقادير ثابتي خواهند داشت. در ضمن ،تنها تفاوت مابين مراحل IV و V جهت حرکت مته در سوراخ دريل کاري شده مي باشد. عمل برش در اين مرحله نيز وجود دارد و با مشکلاتي که در مراحل قبل نيز با آنها مواجه بوديم همراه مي باشد.

 

۴ اثر سطح پوششي ابزار آلات :
سطح ابزار مستقيماً با زمان و کيفيت دريل کاري مرتبط مي باشد که تعداد سوراخهايي که قرار است با يک مته دريل زده شود نيز مرتبط با همين پارامتر مي باشد. نيروي رانش و گشتاور پيچشي توليد شده توسط مته دريل در مراحل مختلف و اثر آنها بر روي عمر مته دريل محاسبه و براي حالات مختلف مقايسه شده است. به منظور فراهم شدن امکان مقايسه بهتر سوراخ کاري و نوع سوراخ در همه موارد با تنظيمات و طراحي يکسان صورت گرفته است. شکل ۵٫ يک مثال کاربردي از نيروهاي رانشي و گشتاورهاي پيچشي ايجاد شده در مراحل مختلف را نشان مي دهد و در همه موارد عمر دريل با توجه به کار بر روي ضخامتهاي يکسان سنجيده شده است. از اين آزمايشات مي توان دريافت که نيروهاي رانشي با توجه به نمره سوراخي که قرار است ايجاد شود، افزايش مي يابد.

اگر چه نيروهاي مذکور در هر دوره دريل کاري افزايش مي يابند. اين مسئله در مقاله لين گزارش شده است که در آنجا آمده است، زماني که دريل کاري کامپوزيتها در سرعتهاي بالاي ۳۸۶۵۰ دور بر دقيقه انجام گيرد تأثيرات پوشش ابزار بر روي برش لبه ها به چه صورت مي باشد. يک آزمايش ديگر جهت بررسي ضخامت نمونه ها و اثر آنها بر روي گشتاور پيچشي ايجاد شده، مشابه آزمايشي که براي نيروهاي رانشي انجام شد، صورت مي گيرد. گشتاور پيچشي توليد شده در اين حالت تغييرات چنداني را نشان نمي دهد و مناسب با دامنه تغييرات نمره مته اين آناليزهاي تحليلي صورت مي گيرند و نتايج آن در همه موارد با يکديگر همخواني دارد. آناليزهاي پيشين با توجه به افزايش نيرو بر خلاف زمان صورت گرفت. راه ديگري براي انجام آناليزها اندازه گيري ماکسيمم نيرو گشتاور ايجاد شده بر خلاف نرخ تغذيه و بررسي اثرات پوشش سطوح براي سرعتهاي مختلف مي باشد. شکل ۶ نشان مي دهد که بيشترين ميزان گشتاور پيچشي و نيروهاي پيشروي براي حالتي که نمونه دريل کاري ۲mm قط دارد ،براي ۸ نوع تغذيه متفاوت چه اثراتي بر روي عمر مته دريل خواهد داشت. در شکل ۷ نيز بيشترين ميزان گشتاور پيچشي و نيروي رانش توليد شده به هنگام دريل کاري قطعه اي با ضخامت ۲ ميليمتر نشان داده شده و در اين حالت بر بررسي عمر قطعات پرداخته شده است.

بيشترين ميزان افزايش در نيروهاي مذکور با توجه به تغذيه و نمره سوراخ افزايش خواهد يافت. (به دليل پوشش ابزار) اگر چه اين افزايش براي همه موارد و سرعتهاي تغذيه مختلف صدق نمي کند، در سرعتهاي تغذيه پائين تر افزايش ميزان نيروهاي مذکور تنها به نوع پوشش بستگي دارد. بيشترين ميزان تورک در شکل ۷ نشان داده شده است و نسبت به تغذيه هاي متفاوت، افزايش آن بررسي گرديده است که در اين حالت به پوشش ابزار بستگي چنداني ندارد. براي دريل کاري قطعه کار نمونه ۲٫۵ ميليمتري مي توان نتايج به دست آمده را در شکل ۸ مشاهده کرد. نيروهاي رانشي با توجه به سرعت تغذيه و درجه سوراخ افزايش مي يابند.بيشترين ميزان گشتاور پيچشي ايجاد شده در اين حالت با ميزان تغذيه مرتبط مي باشد ولي به همان نسبت از نوع پوشش سطوح ابزار تأثير نمي پذيرد.

 

۵ نتيجه گيري نهايي :
با انجام آزمايشهاي گسترده نشان داده شد ه عمليات سوراخ کاري با استفاده از دريل هاي ‘ oneshot’ را مي توان در ۵ مرحله مدل کرد که هر مرحله به طور جداگانه از لحاظ سوراخ کاري و گشادکاري خصوصيات فيزيکي جداگانه اي دارد. در اينجا رابطه بين سرعتهاي تغذيه متفاوت و استفاده از ضخامتهاي مختلفي از مواد در هنگام انجام کار با يک قطعه ۲ لايه، نشان داده شد. اين مدل به موقعيت قرارگيري دريل و مته آن در قطعه و در مراحل مختلف کار بستگي دارد. همچنين مي توان محاسبه کرد که در حالتي که سوراخ کاري افزايش مي يابد نيروهاي رانشي نيز افزايش مي يابد ولي در اين حالت گشتاور پيچشي تغيير چنداني نخواهد داشت. همانطوري که نشان داده شده است اثرات ناشي از سطح پوششي ابزارآلات بر روي نيروهاي پيش بري و تغييرات آن در مراحل مختلف سوراخکاري قابل توجه مي باشد.ضخامت قطعه کار مورد نظر نيز نقش عمده اي را در افزايش گشتاور پيچشي و نيروهاي مذکور بازي مي کند. تغذيه استفاده شده براي دريل کاري ها نيز بر روي افزايش موارد مذکور تأثير گذار مي باشد. يافته هاي به دست آمده از اين مطالعات که در اين مقاله ارائه گرديد را مي توان براي مدلهاي متفاوت ديگري که در آنها از مواد مختلف استفاده شده است ربط داد. سپس مي توان آنطوري که در بخش II از اين سري مقاله گزارش شده است اين مدل توسعه يافته را به کار برد. با توجه به اين مدل اثرات مثبت و منفي بر روي عمر قطعه و بهبود کيفيت مراحل دريل کاري در صنايع و مخصوصاً در دريل کاري کامپوزيتها در مراحل با اهميت توليد، بررسي شده است.

من سامان نصیری نویسنده این مقاله هستم.

تاریخ انتشار: 2 سپتامبر 2020
50 بازدید

مطالب مرتبط

دیدگاه ها

مجوزها و نمادها


logo-samandehi

پل های ارتباطی با ما …

تبریز ، بخش مقصودیه ، خیابان ارتش جنوبی، کوچه شهید شهابی ، بن بست باغچه ، پلاک ۸۷ ، طبقه 4
تلفن تماس : 04135421108-09307584802
ایمیل : entofa@gmail.com


Unit4,No87,Baghcheh Alley,South Artesh ST,Azadi ave,MAGHSUDIYEH, Tabriz, Iran
کلیه حقوق این وب سایت محفوظ می باشد . طراحی و توسعه آلسن وب    All rights reserved © 2020 Entofa