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