Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Fatallah Karimzadeh,Saeed Behbahani
سعید ضیائی راد (استاد مشاور) فتح اله کریم زاده (استاد راهنما) سعید بهبهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Seyed Masoud Loeian
سیدمسعود لوئیان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Theoretical and Analytical Studies and Design of Ultrasonic Cold Forging (UCF) Machine for Development of Surface Nanostructure
Ultrasonic Cold Forging (UCF) technology enhances mechanical properties of metals by generating a nano structure layer on their surface. During UCF process, static and high frequency dynamic forces are applied on the surface of the work piece by a spherical rigid tool, in order to cause severe plastic deformation on a thin layer of the surface. The changes in the appearance and the size of the work piece due to the severe plastic deformation are negligible, while developed nano structure layer with induced work hardening and residual stress improves the surface mechanical properties of the samples remarkably.Design and production of a UCF machine to be mounted on commercial turning and milling machines, as well as identification of the process through experimental and numerical methods are two main objectives of this research. Vibratory components of the head of the UCF machine play a very important role in the appropriate amplification and concentration of the generated oscillation. The shape and mounting points of these components are designed and analyzed using modal analysis and based on these design, UCF machine is manufactured.The fabricated machine has been employed for surface treatment of two steel samples – AISI S1 and AISI 4130. Before UCF process, gains of two samples have average size 20 µm. After applying ultrasonic impacts, nano structure layer is observed with average grain size 70 nm at the edge of S1 sample and the thickness of new micro structure is 100 µm. It has been determined that hardness of surface increased about two times compared with the conventionally sample and hardness incensement is observed till depth 450 µm. Also, 50 nm grain size is obtained at the edge of 4130 steel and depth of new structure is 120 µm. The hardness of the surfaces was increased to 400 Vickers after applying UCF process at the surface and hardness of sample increased up to depth 200 µm.To identify the process, the severe plastic deformations along with the induced residual stresses were analyzed using finite element simulation. 4 models is generated. The first one is considered as the reference model and in other three models, the effect of changing of the tool velocity, vibration amplitude, and static force is studied. The obtained results showed that the highest residual stress and the highest equivalent plastic strain were generated in the case of the highest vibration amplitude. The best roughness was gained in the model that had the least static force and the minimum residual stress is monitored in the process that has the least tool velocity. Key Words: Ultrasonic Cold Forging, Nanostructure, Severe plastic deformation, Surface treatment, Finite Element Model, Modal Analysis
دستگاه فرجینگ سرد مافوق صوت (UCF)، سیستمی است که با استفاده از فناوری مافوق صوت باعث تغییر ساختار سطح آلیاژهای فلزی از میکرو به نانو و بهبود خواص مکانیکی آنها می‌شود. در UCF به طور همزمان از نیروی استاتیکی و نیروی دینامیکی برای ضربه زدن بر روی سطح فلز با یک ابزار کروی شکل استفاده می‌شود تا تغییر شکل شدیدی در یک لایه نازک از سطح رخ دهد. با ایجاد تغییر شکل شدید پلاستیک در سطح، بدون تغییر شکل ظاهری و ابعادی قابل توجه در قطعه، یک لایه سطحی نانوساختار در سطح فلز ایجاد می‌شود. این لایه نانوساختار به همراه کارسختی و تنش پسماند ایجاد شده در سطح موجب بهبود خواص مکانیکی قطعه می‌شود. اولین هدف این تحقیق، طراحی ماشین UCF می‌باشد. برای این منظور ابتدا طراحی مفهومی سیستم UCF جهت شناخت اجزای مورد نیاز برای تهیه و ساخت ماشین مذکور انجام شد. سپس اجزای ارتعاشی هد UCF شامل تقویت‌کننده و ابزار به روش آنالیز مودال در اجزا محدود طراحی گردید و با انجام آنالیز ارتعاش اجباری بر روی مجموعه هد UCF، نشان داده شد که طراحی اجزای ارتعاشی هد UCF به نحو مطلوبی انجام گرفته است. هدف دوم این تحقیق، کسب شناخت بیشتر از فرایند UCF می‌باشد. برای رسیدن به این هدف، ابتدا با استفاده از روش عددی اجزا محدود، میزان تغییر شکل پلاستیک اعمال شده توسط فرایند UCF در سطح قطعه با تغییر پارامترهای مختلف فرایند مقایسه شد. با مقایسه شبیه‌سازی‌ها مشخص گردید که بیشترین تنش پسماند در سطح، تغییر شکل پلاستیک و عمق تغییر ساختار یافته درفرایندی مشاهده می‌شود که بیشترین دامنه ارتعاش را داشته باشد. همچنین بهترین صافی سطح قطعه پس از اعمال فرایند، در حالتی بدست می‌آید که کمترین نیروی استاتیکی اعمال شده باشد. در اثر کاهش سرعت حرکت ابزار بر روی سطح، میزان تغییر شکل پلاستیک و عمق تغییر ساختار یافته افزایش می‌یابد ولی میزان تنش پسماند در سطح کاهش می‌یابد. بر مبنای طراحی انجام گرفته در این پروژه، ماشین UCF ساخته شد و با استفاده از سیستم ساخته شده، فرایند UCF بر روی نمونه‌های فولادی AISI S1 و AISI 4130 اعمال شد. نتایج نشان داد که پس از اعمال فرایند، میکروساختار نمونه S1 تا عمق 100 میکرومتری از سطح دچار تغییر شده و اندازه دانه‌های سطحی تا 70 نانومتر ریز گردیده است. همچنین سختی در سطح نمونه دو برابر شده و اثر افزایش سختی تا عمق 450 میکرومتری از سطح دیده شد. دانه‌های سطحی نمونه 4130 نیز تا مقدار 50 نانومتر ریز شده و تغییر ریزساختار تا عمق 120 میکرومتری مشاهده گردید. ملاحظه شد که سختی سطح این نمونه تا 100 درصد افزایش داشته و تا عمق 200 میکرومتری از سطح، سختی افزایش یافته بود. کلمات کلیدی فرجینگ سرد مافوق صوت، نانو ساختار، تغییر شکل پلاستیک شدید، عملیات سطحی، مدل اجزا محدود، آنالیز مودال

ارتقاء امنیت وب با وف بومی