SUPERVISOR
Seyed Mohsen Safavi,Alireza Fadaei Tehrani
سید محسن صفوی (استاد راهنما) علیرضا فدائی تهرانی (استاد مشاور)
STUDENT
Mohammadreza Mardanizad
محمدرضا مردانی زاد
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Design and Manufacturing of Rotary Axis for a CNC System to analyze Finishing Parameters of Bevel Gear by MAF Method
In new designed workpieces, surface roughness is a very important parameter which affects lifetime and working quality of the parts. Nowadays, manufacturing of parts with very low surface roughness is a key purpose for most of advanced industries. Sometimes it is impossible or very hard to achieve fine surface finish by conventional processes. Surface finish, accuracy and integrity of parts produced by conventional machining methods depends on machine tool system including machine tool, cutting tool, workpiece, machining conditions and cutting fluid. To achieve high surface roughness, machine tool should be rigid, free from static (form deviation) and dynamic (chatter or vibrations) errors, and also tool and workpiece errors. Furthermore, with development of new hard to finish materials such as superalloys and ceramics and composite materials, variation of forces in machining process is natural and can not be avoided by changing of machine tool system. Also, materials such as ceramics and glasses are inherently brittle, and failure of parts made of these materials is usually due to cracks created during machining process. Magnetic abrasive finishing (MAF) is one of the modern finishing methods which can be used to produce nanometer range roughness on flat surfaces and also on inner and outer surfaces of cylindrical parts. This method can also be used for some other geometries. This process is suitable for working on hard materials such as ceramics and superalloys which are hard to be finished with conventional methods. Bevel gears are included in a group of mechanical parts which are used widely in various industries. Surface roughness of gear tooth is one of the important parameters affecting the lifetime of gear and its noise during working process. In this study, by adding of a rotary axis to a 3-axis miniature CNC mill, a system is designed and manufactured for finishing of spiral bevel gears. This system can be used to study and investigate the effects of some important factors of MAF process. This system also can be used for finishing of other types of gears (straight bevel gears, helical gears, spur gears) and also outer surface of shafts. Motion control of the axes of this system is done using a software called "MACH3", and this reduces the costs of system considerably. After preparing the system, design of experiments (response surface method) is used to design appropriate experiments for studying of factors effects on ultimate surface roughness. Then, statistical analysis is done by MINITAB software on experimental data and important factors and their interactions are determined, and finally a regression equation for estimation of surface roughness from process variables is obtained. Analysis results showed that all of the studied factors, i.e., rotational speed of magnetic tool, current of electric coil, and mesh number of abrasive particles have a significant effect on ultimate surface roughness. Among the studied factors, current has maximum effect and rotational speed of the tool has minimum effect on reduction of surface roughness. Experiments showed that finishing of bevel gears by magnetic abrasive finishing process needs a long time, so finishing of gears by this method is not efficient in usual cases, however it can be used in particular cases which require high surface finish. Keywords: magnetic abrasive finishing, surface roughness, abrasive powder, magnetic field, design of experiments, analysis of variance
در قطعات جدید، زبری سطحی پارامتر بسیار مهمی است و بر روی عمر قطعات و کیفیت عملکرد آنها و نیز بر روی عملکرد کل سیستم تأثیر می گذارد. امروزه ساخت قطعاتی با زبری سطحی بسیار کم یک هدف مهم برای بسیاری از صنایع پیشرفته شده است. برخی مواقع رسیدن به کیفیت پرداخت سطحی بالا توسط روشهای سنتی کاری مشکل و یا غیرممکن است. صافی، دقت و سلامت سطح قطعات تولید شده توسط فرآیندهای ماشینکاری سنتی به سیستم ماشین ابزار وابسته است که شامل ماشین ابزار، ابزار برنده، قطعه کار، شرایط برش، و سیال برشی دارد. برای دستیابی به صافی سطح بالاتر، لازم است که ماشین ابزار صلب، عاری از خطاهای شبه استاتیک (انحراف شکل) و همچنین خطاهای دینامیک (ارتعاش خودبرانگیخته یا ارتعاشات معمولی)، و خطای ابزار و قطعه کار باشد. همچنین با توسعه مواد جدیدی مانند سوپرآلیاژها و سرامیکها و مواد مرکب که ماشینکاری آنها سخت است، تغییرات نیروها در فرآیند ماشینکاری طبیعی است و با تغییر سیستم ماشین ابزار نمی توان آن را برطرف نمود. همچنین، موادی مانند سرامیکها یا شیشه ذاتاً ترد و شکننده هستند و خرابی و شکست قطعات ساخته شده از این مواد معمولاً در اثر ترکهای ایجاد شده در حین فرآیند ماشینکاری اتفاق می افتد. پرداخت کاری سایشی مغناطیسی یکی از روش های پرداخت سطح پیشرفته است که می توان از آن برای ایجاد سطوح با کیفیت بالا و با زبری سطحی در حد چند نانومتر بر روی قطعات تخت و همچنین سطح داخلی و خارجی قطعات استوانه ای شکل استفاده نمود. این روش برای قطعات با هندسه های دیگر نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد. این فرآیند برای کار بر روی مواد سخت مانند سرامیک ها و سوپرآلیاژها که پردازش آنها توسط فرآیندهای سنتی مشکل و یا غیرممکن است، مناسب می باشد. چرخدنده های مخروطی از قطعاتی هستند که به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند و زبری سطحی دندانه چرخدنده یکی از پارامترهای موثر بر عمر و سر و صدای چرخدنده در حین کار آن می باشد. در این پروژه با افزودن یک محور چهارم دورانی به یک فرز CNC سه محوره آزمایشگاهی، دستگاهی طراحی و ساخته شده است که قابلیت پرداخت چرخدنده های مخروط مارپیچ را دارا می باشد و می توان توسط آن تأثیر پارامترهای مهم موثر بر فرآیند پرداخت کاری به کمک پودر مواد ساینده مغناطیسی را مطالعه و بررسی نمود. امکان استفاده از این دستگاه برای سایر چرخدنده ها (چرخدنده های مخروط ساده، چرخدنده های مارپیچ، چرخدنده های ساده) و نیز سطوح خارجی استوانه ها از مزیت های دستگاه ساخته شده می باشد. کنترل حرکت محورهای این سیستم به صورت نرم افزاری می باشد که این امر هزینه های ساخت دستگاه را کاهش می دهد. پس از ساخت دستگاه، یکی از روش های طراحی آزمایش یعنی روش رویه پاسخ (RSM) برای طراحی آزمایش های مناسب جهت مطالعه اثر پارامترهای مهم بر روی فرآیند مورد استفاده قرار گرفته است. سپس با تحلیل آماری داده های حاصل از آزمایش های انجام شده توسط نرم افزار مینی تب، فاکتورهای موثر بر فرآیند و اثرات متقابل آن ها تعیین شده و معادله رگرسیونی برای تخمین زبری سطح نهایی از روی ورودی های فرآیند به دست آمده است. نتایج حاصل از تحلیل ها نشان داد که هر سه فاکتور مورد بررسی یعنی سرعت دوران ابزار، جریان عبوری از سیم پیچ آهن ربای الکتریکی و شماره مش ذرات ساینده تاثیر مهمی بر روی زبری سطح نهایی دارند. در بین پارامترهای مورد مطالعه، جریان عبوری از سیم پیچ بیشترین تأثیر و سرعت دورانی ابزار کمترین تأثیر را بر بهبود زبری سطحی داشته است. آزمایشات نشان داد که زمان لازم برای پرداخت چرخدنده مخروطی توسط روش MAF نسبتاً طولانی می باشد و استفاده از این روش برای پرداخت چرخدنده مخروطی در موارد عادی مقرون به صرفه نمی باشد، ولی در موارد خاص در صورت نیاز به صافی سطح بسیار بالا می توان از آن استفاده نمود. کلمات کلیدی: پرداخت کاری به کمک مواد ساینده مغناطیسی، زبری سطح، پودر ساینده، میدان مغناطیسی، طراحی آزمایش، آنالیز واریانس