Skip to main content
SUPERVISOR
Abbas Ghaei,Fatallah Karimzadeh,Saeed Behbahani
عباس قائی (استاد مشاور) فتح اله کریم زاده (استاد راهنما) سعید بهبهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Keivan Matin
کیوان متین

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Extending Ultrasonic Cold Forging (UCF) Machine Tool for Nanostructured Surface Formation Inside the Cylinders
Ultrasonic Cold Forging (UCF) is a technology that transforms a metal or metallic alloy surface microstructure to the nanostructure, utilizing ultrasonic vibration energy. It induces severe plastic deformation to the surface, by simultaneously applying static and dynamic force. As a result of this treatment, the mechanical properties of the metals and metallic alloys such as hardness, compressive residual stress, wear and fatigue characteristics are improved. In the present research, steps of designing a new UCF head to form nanostructured surface inside the cylinders and tubes are presented. The new design is developed by modal analysis of vibratory components. A UCF head consists of transducer, booster and horn. The transducer is an available module with a resonance frequency around 20 KHz. Hence, it is necessary to design a new booster and horn with resonance frequency adjacent the resonance frequency of the transducer. The results show that the frequency of the booster and horn, designed in this research are 20560 Hz in longitudinal vibration and 20608 Hz in transvers vibration. An integrated modal analysis for the whole UCF head is performed afterwards. It shows that the resonance frequency of the whole UCF head is 20512 Hz. A static analysis on the UCF head also shows that no static failure occurs, and static safety factor is about 5. In addition, the analyses show that when the tool is in the contact with the workpiece with the specified static load, the nodal point is moved about 5 millimeter in the longitudinal direction. Once the tool is designed and manufactured, it is installed on the lathe machine, and is used to treat the inside surface of an Al 6061-T6 cylindrical tubular specimen. practical improvements of the mechanical properties of the specimen and its microstructure are examined by some mechanical and metallurgical tests, including micro hardness test, wear test and observing the microstructure of the specimen by optical microscope and scanning electron microscope. The results show an increase in the hardness of the surface by about 82.4% , from 63.6 to 116 vickers, where this hardness improvement has continued until the depth of about 400 microns. The friction coefficient reduces by 28.4% , from 0.35 to 0.25 and the amount of metal wear decreases from 8.3 to 7.8 milligrams. The observation of microscopes shows a severe turbulence near the affected surface. It also shows that the work-hardening and elongation of grains happens in the direction of the feed and spindle speed. To some extent the reduction of grain size from an average of 70 micron to 1 micron can also be observed Key Words: UCF Head, modal analysis, vibration, Al 6061-T6, hardness, wear, microscope
ماشین افزار فورج 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 آن ها می‌شود. از آن جایی که طراحی کلگی تمامی دستگاه های UCF تا پیش از این پژوهش تنها قابلیت اجرای فرایند روی سطوح بیرونی شافت و لوله و سطوح تخت ورق های فلزی را داشت، خلا بکارگیری این قرایند روی سطوح داخلی لوله و سیلندرهای فلزی که کاربرد وسیعی دارند، به چشم می خورد. بنابراین در ادامه به اساس عملکرد اجزای انتقال دهنده ی ارتعاش و نحوه ی طراحی آن ها، جهت اجرای فرایند UCF روی سطوح داخلی سیلندر پرداخته می شود. این طراحی شامل آنالیز مودال اجزای ارتعاشی کلگی UCF یعنی تقویت کننده و متمرکزکننده و سپس آنالیز مودال، استاتیک و خستگی کلگی UCF است. سپس تحلیلی پیرامون میزان جابجایی نقاط گرهی متمرکزکننده، قبل و بعد از درگیری ابزار UCFبا قطعه کار ارائه می گردد. در پایان نیز نتایج و تاثیرات مکانیکی و متالورژیکی حاصل از فرایند UCF و روش ها و دستگاه های مورد استفاده برای استخراج نتایج بیان می شود. فرایند UCF با ابزار کروی از جنس فولاد بلبرینگ (ضدزنگ سخت کاری شده) روی نمونه ی آلومینیوم 6061-T6 اجرا شده است. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد که سختی نمونه ی آلومینیوم 6061 تحت عملیات در سطح نمونه حدود 82 درصد افزایش یافته است. هم چنین روی نمونه های آلومینیوم 6061 قبل و بعد از عملیات UCF آزمون سایش انجام شده است. نتایج حاصل نشان می دهد که نمونه ی بعد از عملیات، کاهش وزن کمتری نسبت به نمونه ی قبل از عملیات در آزمون سایش داشته است. هم چنین خروجی نرم افزار آزمون سایش نشان می دهد که ضریب اصطکاک پس از عملیات UCF از مقدار متوسط 35/0 به مقدار 25/0 رسیده و نیروی افقی میان نمونه و پین ساینده نیز کاهش یافته است. بررسی های ساختاری اعم از مشاهدات میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه های عملیات شده حاکی از ریز شدن دانه های سطحی و نزدیک به سطح است، به گونه ای که شیب تغییرات اندازه ی دانه کاملا محسوس است.. اثر کارسختی ابزار UCF و اغتشاش پدید آمده ناشی از فرایند بر لبه های نمونه نیز در تصاویر به شکل کشیدگی دانه ها به خوبی مشاهده می شود. مجموع تاثیرات مشاهده شده همگی نشانه های منطقی برای دستیابی به ساختار نانو در سطح نمونه است. کلمات کلیدی: فرایند فورج سرد مافوق صوت، تقویت کننده، متمرکزکننده، کلگی، آنالیز مودال، سختی، سایش، ریزساختار

ارتقاء امنیت وب با وف بومی