دانلود مقاله در مورد شبيهسازي ماشينكاري الكتروشيميايي (ECM)
دسته بندي :
مقاله »
مقالات فارسی مختلف
لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : وورد
نوع فایل : word (..doc) ( قابل ويرايش و آماده پرينت )
تعداد صفحه : 7 صفحه
قسمتی از متن word (..doc) :
چهاردهمين كنفرانس سالانه (بين المللي) مهندسي مكانيك- ارديبهشت 1385- دانشگاه صنعتی اصفهان
چهاردهمين كنفرانس سالانه (بين المللي) مهندسي مكانيك- ارديبهشت 1385- دانشگاه صنعتی اصفهان
شبيهسازي ماشينكاري الكتروشيميايي (ECM)
چكيده
در اين پژوهش به مدلسازي روند ماشينكاري الكتروشيميايي (Electro Chemical Machining)، که يکي از روشهاي غير سنتي و جديد ماشينکاري ميباشد، پرداخته ميشود. هدف از شبيهسازي اين فرآيند کاهش هزينههاي مربوط به مدلسازي و ساخت قالب‌هاي ماشينکاري، زمان و غيره ميباشد. در اين راستا، با بکارگيري رويکرد قدرتمند گسستهسازي با روش اجزاء محدود، مدلسازي انجام گرفته و معادلات حاکم بر فرآيند حل شده و فرسايش در هر گام زمانی برآورد میگردد. دستاوردها نشان از توانايي بسيار بالاي اين رويکرد در بازآفريني رايانهاي اين فرآيند دارد. دستاوردها، با ماشينکاری رايانهای پره توربين نشان داده شده است.
.
واژههاي كليدي : ماشينکاري الکترو شيمياي- برش آندی- اجزاء محدود- ECM
.
مقدمه
ماشينكاري الكتروشيميايي که گاهی اوقات با نام برشکاری کاتدی نيز از آن ياد میشود يکی از روشهای اخير ماشينکاری، با توانايي بالا برای استفاده، میباشد. پايه و اساس فرآيند جديد نمیباشد اما کاربرد فرآيند بعنوان يک ابزار فلزکاری بديع میباشد. گسترش وسيع اين فرآيند را می‌توان در راستای نياز به ماشينکاری مواد سفت و سخت، افزايش يافتن هزينه تلاش و کوشش دستی و نياز به پيکربنديهای ماشينکاری فرآتر از توانايی ماشينکاريهای مرسوم جستجو کرد.
يکی از برتريهای توانمند ECM در ماشينکاری سطحهای هندسی پيچيده سه بعدی میباشد، بگونهای که اثر ابزار برش بر روی قطعه کار باقی نمیماند. عمر زياد ابزار کار از ويژگيهای بارز اين روش میباشد، بطوريکه می‌توان قطعات خيلی زيادی را تنها با يک سری قالب ساخت. ماشينکاری فلزات و آلياژها، بدون توجه مقاومت و سختی آنها، از ديگر تواناييهای قابل بيان اين روش میباشد. هرچند اين تواناييها را می‌توان مشترک با روش Electric Discharge Machining, EDM يافت اما سطح ماشينکاری شده عاری از تنش و پرداخت سطح بسيار بالا (5 ميکرون) جذابيتهای اضافی اين روش میباشد، ]1[. ناگفته نماند که نرخ ماشينکاری مواد سخت با ECM، در مقايسه با روشهای مرسوم بيشتر است.
كاربردهاي عملي ماشينكاري الكتروشيميايي به تنهايي براي برداشت فلز از يك سطح بكار نميرود بلكه ميتواند براي پروفيل كردن يك قطعه نيز مورد استفاده قرار گيرد. بيشتر، پرههای توربين گاز و بخار با اين روش ماشينکاری میشوند و اين تلاش نيز مدلسازی نمونه اي از اين قطعات را نشان میدهد.
2- فرآيند ECM
ميشل فارادی دريافت که اگر دو الکترود در داخل مايعی رسانا قرار بگيرند و به آنها جريان مستقيم اعمال گردد روکشی از ذرات فلز آند بر روی سطح فلز کاتد بوجود خواهد آمد. اين فرآيند، در صنعت، سالها بانام آبکاری انجام می
چهاردهمين كنفرانس سالانه (بين المللي) مهندسي مكانيك- ارديبهشت 1385- دانشگاه صنعتی اصفهان
چهاردهمين كنفرانس سالانه (بين المللي) مهندسي مكانيك- ارديبهشت 1385- دانشگاه صنعتی اصفهان
گيرد. با تغييرات ويژهای، ECM دگرگون شده آبکاری میباشد. فرآيند ECM از ابزار و يا الکترودی که پيشتر شکل داده شده است استفاده میکند. از اين ديدگاه که در ماشينکاری، مواد از روی قطعهکار برداشته میشود کاتد ابزار و آند قطعهکار میباشد. همچنين الکتروليتی در فاصله کوچک تامين شده بين قطعهکار و ابزار پمپ میشود، شکل 1.
شکل 1- طرحواره ماشينکاری الکتروشيميايی
شکل 1 اجزای پايهای فرآيند را که شامل ابزار، قطعهکار، الکتروليت و منبع تغذيه میباشد، نشان میدهد.
ECM فرآيندی پويا میباشد بگونهای كه در آن ابزار با نرخ ثابت به سوی قطعهكار حركت کرده و همچنين مرز قطعهكار پيوسته فرسايش يافته و تغيير ميكند و اين روند تا بهدست آمدن شکل نهايی محصول تکرار میگردد.
هنگام بازآافرينی رايانهای در هر تکرار چگالی جريان محاسبه شده و بر اساس آن مقدار فرسايش سطح برآورد گشته و مرز سطح تغيير ميکند.
3- تئوري حاکم در شكلدهي با ECM
تئوري ECM و حل مدلهاي دو يا سه بعدي آن ساده نمیباشد و تنها روشهای عددی است که میتواند معادلات ديفرانسيل را برای هندسههای پيچيده بازگشايی کرده و پاسخ آنرا بدست آورد كه در اين شبيه سازي نيز استفاده شده است. اما حل تحليلی و دقيق بعضي مدل ساده يكبعدي ممكن میباشدکه جهت تفهيم بهتر نحوه مدلسازي در زير به آن پرداخته میشود. نخست ساده سازيهايی برای حل مدل يكبعدي ساده بصورت زير در نظر گرفته میشود:
1- ابزار و قطعه كار داراي رسانايي بالا در قياس با محلول الكتروليت ميباشند و همچنين سطح ابزار و سطح كار هم پتانسيل هستند.
2- ولتاژ وابسته به واكنش الكتروشيميايي در الكترودها صفر است از اين رو قانون اهم مستقيما بكار ميرود.
3- خواص سيستم يكنواخت بوده و به جهت بستگي ندارد.
4- جريان الكتروليت تاثير مهمي بر رسانايي ويژه الكتروليت ندارد و اين مقدار در عمليات ECM ثابت باقي ميماند.
5- كل جريان براي براده برداري بكار ميرود.
در اين شرايط نرخ تغيير فاصله بين ابزار و قطعهکار، ، نسبت به سطح ابزار از قانون فارادي بدست ميآيد ]2-3[:
(1)
كه در آن وزن اتمي، ظرفيت يون حل شده، ثابت فارادي، چگالي فلز آند، قطعه كار، سرعت پيشروی ابزار و شدت جريان است. شدت جريان از قانون اهم به شكل زير بدست مي
چهاردهمين كنفرانس سالانه (بين المللي) مهندسي مكانيك- ارديبهشت 1385- دانشگاه صنعتی اصفهان
چهاردهمين كنفرانس سالانه (بين المللي) مهندسي مكانيك- ارديبهشت 1385- دانشگاه صنعتی اصفهان
آيد:
(2)
در معادله بالا رسانايي الكتروليت و اختلاف پتانسيل است. با قرار دادن در معادله 2، معادله 3 حاصل ميشود:
(3)
و در حل معادله فوق دو حالت عملي را می‌توان بررسی کرد که در ادامه آورده شده‌اند.
الف) سرعت پيشروي ابزار صفر
پاسخ براي در مدت زمان بصورت زير بهدست میآيد:
(4)
كه در آن فاصله ماشينكاري اوليه است. همانگونه که ديده میشود فاصله دهنه با ريشه دوم زمان بهصورت نامحدود زياد ميشود، شكل 2 (الف). اين حالت اغلب در پليسهگيري با ECM به كارميرود كه در آن ناهمواريهاي سطح در چند ثانيه برداشته شده و نيازي به حركت مكانيكي الكترود نيست.
ب) سرعت پيشروي ثابت
ابزار با سرعت ثابتي به طرف قطعه كار حركت ميكند. پاسخ معادله 3 به شكل بدست میآيد:
(5)
توجه شود كه فاصله دهنهها به يك مقدار پايدار نزديك ميشود.
(6)
اين حالت ECM كه در آن فاصله تعادلي بدست ميآيد به طور گسترده در توليد مجدد شكل كاتد ابزار روي قطعهكار بكار ميرود. نمايش شماتيك حل معادله 5 در شكل 2 (ب) مشاهده ميشود.
شکل 2- تغييرات فاصله دهانه با مدت زمان ماشينکاري الف )سرعت پيشروي الکترود صفر ب) سرعت پيشروي ثابت
در حالتهای دو و سه بعدی با هندسه پيچيده و مرزهای منحنی معادله 2 برقرار نمیباشد. اين عدم برقراری بهسبب توزيع غير يکنواخت پتانسيل الكتريكي در الكتروليت میباشد. از اين رو برای بدست آوردن ميدان شدت جريان بايد از رابطه زير استفاده کرد ]4[:
(7)
که در آن پتانسيل از حل معادله لاپلاس، معادله 8، در هر نقطه از الکتروليت بهدست میآيد.
(8)
و در آخر قانون فارادي:
(9)
براي محاسبه سرعت پسروي آند به كار ميرود.
روشهاي مختلفي از جمله روش كاملا تحليلي، روش گرافيكي- قياسي و غيره براي حل اين معادلات به كار رفته است. به علت پيچيدگي مساله شكلدهي در ECM، بکارگيری اين روشهاي در مسايل عملي مشكل است. بدون شك روشهاي عددی كامپيوتري عملي
چهاردهمين كنفرانس سالانه (بين المللي) مهندسي مكانيك- ارديبهشت 1385- دانشگاه صنعتی اصفهان
چهاردهمين كنفرانس سالانه (بين المللي) مهندسي مكانيك- ارديبهشت 1385- دانشگاه صنعتی اصفهان
ترين راه حلها را پيشنهاد میدهند و شايد بهرهجويی هنرمندانه از آنها تا اندازهای زياد طراحي تجربي و مرسوم ابزار را به دست تاريخ پسپارد.
4- اجزاء محدود ECM
روش اجزاء محدود رويکردی توانمند برای تحليل عددی طيف وسيعی از مسايل مهندسی میباشد. تحليل تنش و تغيير شکل سازههای بزرگ و پيچيده، بررسی مسايل انتقال حرارت و جريان سيال و غيره پهنههای گسترده برای حضور اجزائ محدود میباشد ]5[.
همانگونه که پيشتر اشاره شد اغلب در مسايل دو بعدی برای بدست آوردن شدت جريان بايد از روشهای عددی کمک گرفت. در اين تلاش روش اجزاء محدود برای اين منظور انتخاب شده است. و همچنين برای برپايی معادلات اجزاء محدود از ANSYS کمک گرفته شده است و با رويکردی برگرفته از آنالوژی ميان معادلات حرارت و مغناطيس از المان PLANE 55 که المانی حرارتی میباشد ]6[ برای مدلسازی الکتروليت استفاده شده است. در روند اجرای برنامه شدت جريان در ميدان الکتروليت بهدست آمده و با استفاده از اصل فارادی مقدار خوردگی فلز قطعهکار محاسبه شده سپس مرزهای قطعه کار جابجا شده و ميدان هندسی الکتروليت با توجه به اين جابجايی دوباره ساخته و با المان ياد شده دوباره مشبندی میشود و دوباره تحليل تا انتها ادامه ميبابد . شکل 3 ابزار کار، قطعهکار، هندسه ميدان الکتروليت و مشبندی الکتروليت نمونه اجرا شده را نشان میدهد.
شکل 3- مدل هندسی اوليه ساخته شده (بالا)، مشبندی الکتروليت (پايين)
شايان ذکر است که نرمافزار ANSYS تنها برای حل معادلههای حاکم بکار گرفته شده است و برای شبيهسازی روند فرآيند ECM برنامه جداگانهای با نام ECMSIM نوشته شده است. اين برنامه نوشته شده شامل 14 فايل به زبان پايه برنامه Ansys ميباشد . جهت رويت بعضي از فايل ها و نحوه ارتباط آنها با يكديگر و ههچنين وظيفه هريك از اين فايلها در اين شبيه سازي ميتوايند به مرجع 4 مراجعه كنيد.
در روند برنامه بايد شرط تعادل پيش از شرط خاتمه گنجانده شود. به ديگر سخن، نخست قطعهکار بايد به صورت شکل نهايی، اما بزرگتر از آن، تغيير يابد و سپس اين ساختار پايا تا اندازه خواسته شده، پايان فرآيند، کوچک شود.
شرط تعادل و خوردگی ثابت را می‌توان با کمک شکل 4 بهدست آورد. همانگونه که از شکل برمی
چهاردهمين كنفرانس سالانه (بين المللي) مهندسي مكانيك- ارديبهشت 1385- دانشگاه صنعتی اصفهان
چهاردهمين كنفرانس سالانه (بين المللي) مهندسي مكانيك- ارديبهشت 1385- دانشگاه صنعتی اصفهان