مقایسه نتایج

مقایسه نتایج

در سال 1997 کوماندوری و مینگ جیانگ از دانشگاه اوکلاهامای آمریکا اولین بار روشی جدید برای پولیش‌کاری ساچمه‌های نیترات سیلیکون که در ساخت بلبرینگ‌های سرامیکی کاربرد دارد ارائه دادند]2[.
روش رایج و متداول پولیش‌کاری ساچمه‌های سرامیکی نیترات سیلیکون به وسیله سنگ‌زنی و لپینگ می‌باشد]3[. در این روش که سرعت پولیش‌کاری بسیار پایین و در نتیجه هزینه بالای تولید ساچمه‌های فوق الذکر مقرون به صرفه نمی‌باشد. لذا با توجه به توسعه دامنه کاربرد یاتاقان‌های سرامیکی صنعت روش جدیدی مورد نیاز بود. روشی که از طرف جیانگ و کوماندوری ارائه گردید به نام پولیش‌کاری مغناطیسی شناور (MFP) معروف گردید. در این روش ساچمه‌های سرامیکی درون محلولی از ذرات ساینده و ذرات اکسید آهن پولیش‌کاری می‌شود. کل محلول در داخل میدان مغناطیسی قرار داشته و ساچمه‌ها به وسیله اسپیندلی در محلول چرخانده می‌شوند. جیانگ و کوماندوری روش پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی (CPM) را به عنوان روشی مکمل برای روش ابداعی خود معرفی نمودند. در این روش مکانیزم براده برداری همانند روش پولیش‌کاری مغناطیسی شناور بوده با این تفاوت که علاوه بر استفاده از مکانیزم مکانیکی جهت براده‌برداری، از خاصیت شیمیایی قطعه‌کار استفاده شده و به کمک عوامل موجود در آزمایش محصولات جدیدی روی قطعه‌کار تولید شده که جدا شدن ذرات براده از روی قطعه‌کار را تسهیل می‌بخشد.
در سال 1997 مینگ جیانگ و کوماندوری به کمک یکی از روش‌های بهینه سازی، شرایط مطلوب و بهینه‌ای برای پارامترهای پولیش‌کاری مغناطیسی شناور تعیین نمودند . آنها برای آزمایشات بهینه‌سازی تنها به سه پارامتر اکتفا نمودند. پارامترهای مورد آزمایش توسط آنها عبارتند بودند از نیروی پولیش‌کاری، درصد اختلاط ذرات ساینده در محلول و سرعت پولیش‌کاری. نتایجی که آنها بدست آوردند نشان دهنده آن است که نیروی بالای پولیش‌کاری و درصد کمتر اختلاط ذرات ساینده در محلول برای بهبود پارامترهای خروجی صافی سطح و تلرانس هندسی گردی مناسب می‌باشند]4[.
در سال 1998 تحقیقاتی توسط مینگ جیانگ، نلسون وودو کوماندوری در باره کارکرد موثر انواع ذرات ساینده در پروسه پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی قطعات نیترات سیلیکون انجام گردید. افراد فوق‌الذکر جهت انجام آزمایشات خود از ذرات ساینده متعددی بهره جستند که از آن جمله می‌توان به بورن کارباید، سیلیکون کارباید، اکسید آلومینیم، اکسید کروم، اکسید زیرکونیوم، اکسید سیلیکون، اکسید سریم ، اکسید مس و اکسید مولیبدن اشاره نمود. ذرات ساینده شمرده شده از جهت تاثیر نسبی هر کدام در پروسه پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی که در ادامه پروسه ‌ پولیش‌کاری مغناطیسی شناور انجام می‌شود مورد بررسی قرار گرفتند. پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی بستگی به تاثیرات همزمان و مطلوب خواص شیمیایی و مکانیکی ذرات ساینده و محیط نسبت به قطعه کار دارد. از میان ذرات ساینده مورد استفاده در آزمایش اکسید سریم و اکسید زیرکونیوم بهترین نتایج را کسب نمودند. آنالیز ترمودینامیکی که توسط محققان انجام پذیرفت (انرژی آزاد گیبس) تشکیل لایه‌ شیمیایی واسطه روی قطعه‌کار، نشان دهنده آن است که امکان تشکیل لایه شیمیایی و واسطه SiO2 توسط ذرات ساینده اکسید سریم و اکسید زیرکونیوم راحت‌تر می‌باشد. پارامتر دیگری که توسط گروه کوماندوری انجام گرفت درباره محلول مورد استفاده در پروسه ‌ شیمیایی-مکانیکی می‌باشد. آنها دو محلول آب و روغن پایه هیدروکربنی را مورد آزمایش قرار دادند. نتایج کسب شده نشان دهنده آن است که محلول آب اثرات خوبی را در طول فرآیند از خود نشان می‌دهد که نسبت به محلول روغن پایه هیدروکربنی بسیار مناسب‌تر می‌باشد. محلول روغنی بر عکس محلول آب باعث کندی در فرآیند و حتی باعث توقف آن می‌شود. بدین ترتیب که با پوشاندن سطح قطعه‌کار مانع از تشکیل لایه واسطه شیمیایی می‌شود]5[.
در سال 2002 یواان به همراه دوستان خود تحقیقاتی در جهت مقایسه نتایج استفاده از ذرات ساینده متعدد در فرآیند‌ پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی انجام دادند. علاوه بر این، آنها همچنین در مطالعات خود به مقایسه دو نوع مکانیسم براده‌‌ براداری در دو روش مرسوم و نوین پولیش‌کاری ساچمه‌های سرامیکی نیترات سیلیکون پرداختند. روش مرسوم که همان روش لپینگ و روش نوین پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی می‌باشند. آنها در آزمایشات خود به این نتیجه رسیدند که اکسید زیرکونیوم و اکسید سریم مناسب‌ترین انتخاب برای پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی ساچمه‌های نیترات سیلیکونی می‌باشند. پارامتر دیگری که توسط آنها مورد بررسی قرار گرفته شد تحقیق در باره میزان بازه‌های زمانی اضافه‌کردن ذرات ساینده جدید به محلول مورد استفاده می‌باشد. با توجه به نتایج حاصله از تحقیقات آنها هر چه فاصله‌های زمانی اضافه‌کردن ذرات ساینده به محلول کمتر گردد، میزان تلرانس هندسی گردی و صافی سطح ساچمه‌های تحت آزمایش پیشرفت قابل توجهی از خود نشان می دهند. نکته دیگری که آنها در این پژوهش بدان اشاره کردند عبارت بود از این که به استفاده از محلول آب در آزمایشات توصیه شده‌است. آب علاوه بر تسهیل واکنش بین قطعه‌کار و ذرات ساینده، به صورت مستقیم وارد واکنش شیمیایی شده و باعث تسریع در امر تشکیل لایه شیمیایی واسطه می‌گردد. لذا استفاده از محلول‌های روغنی پایه هیدروکربنی توسط محققان توصیه نمی‌گردد]6[.
در سال 2005 کوماندوری به کمک محققان دیگر تجهیزات جدیدی برای پولیش‌کاری مغناطیس شناور ساچمه‌های سرامیکی نیترات سیلیکون در ابعاد و حجم پولیش‌کاری بزرگتر ارائه دادند]7[. در تجهیزات معرفی شده قبلی حجم ساچمه‌های پولیش‌کاری خیلی کوچک و در حد آزمایشگاهی بوده است. تجهیزات ارائه شده قابلیت پولیش‌کاری حداقل 46 ساچمه 4/3 اینچی را دارا می‌باشد. تفاوت‌هایی که در مکانیسم کارکرد این تجهیزات در مقایسه با تجهیزات پیشین وجود دارد می‌توان به مکانیسم اعمال نیروی لازم به ساچمه‌ها، ایجاد شیار در اسپیندل و اصلاح اسپیندل در طول انجام آزمایش اشاره نمود. پروسه پولیش‌کاری به سه قسمت 1) مرحله خشن‌کاری 2)مرحله نیمه نهایی 3)مرحله نهایی تقسیم بندی می‌شود.
طبق نتایج ارائه شده وجود شیار روی اسپیندل در هر مرحله نقش معینی ایفاء می‌کند. در مرحله خشن‌کاری باعث افزایش نرخ براده‌برداری شده و در مرحله پولیش‌کاری نیمه نهایی باعث افزایش تلرانس هندسی گردی می‌گردد. ولی در مرحله نهایی نبود آن باعث افزایش کرویت ساچمه‌ها می‌شود. نکته جالب در روش ارائه شده این است که برای اصلاح و یا حذف شیار موجود در اسپیندل برای مراحل خاص جهت بهبود پروسه، اسپیندل از دستگاه جدا نمی‌گردد. بدین صورت که ابزار خاصی جهت ماشینکاری خود اسپیندل و اصلاح آن روی دستگاه تعبیه گردیده‌است. عدم هم محوری اسپیندل با کله‌گی باعث ارتعاش اسپیندل شده و از آنجایی که جنس ساچمه‌ها از سرامیک می‌باشند باعث ایجاد ترک روی ساچمه‌ها می‌شود. لذا کیفیت صافی سطح و تلرانس هندسی گردی بالا خواهد بود.
فصل سوم
تئوری مطالب
در این فصل مطالبی در مورد تئوری دو روش پولیش‌کاری که مکمل یکدیگرند ارائه می‌گردد. پولیش‌کاری مغناطیسی شناور که روش پیشنیاز برای پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی می‌باشد به کمک مکانیزم براده براداری مکانیکی سطوح ساچمه‌های مورد نظر را تا حدی پولیش‌داده که مرحله نهایی پولیش‌کاری توسط روش پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی که مکانیزم براده برداری آن عمدتا شیمیایی می‌باشد انجام می‌پذیرد.
پولیش‌کاری مغناطیسی شناور (MFP)
تکنیک پولیش‌کاری مغناطیسی شناور (MFP) بر اساس خاصیت رفتاری هیدرودینامیکی – مغناطیسی سیال مغناطیسی که قابلیت شناور سازی مواد غیر مغناطیسی را دارا می‌باشد عمل می‌کند(شکل1-3).
شکل (1-3) : جهت نیروی وارده بر جسم غیر مغناطیسی
سیال مغناطیسی ( فروسیال هم نامیده می‌شود ) عبارت است از مخلوط کلوئیدی ذرات بسیار ریز ( 100-150 آنگستروم ) فرومغناطیسی مثل ذرات مغناطیس شدهFe3O4 در یک سیال حامل مثل آب یا سیال هیدروکربنی ( مثل نفت سفید ). در مواردی که سیال حامل آب باشد مقداری مواد
شیمیایی جهت جلوگیری از توده‌ای شدن ذرات مغناطیسی در آب اضافه می‌شود. شکل (2-3) تصویری از تجهیزات لازم را نشان می‌دهد.
شکل (2-3) : شماتیک روش MFP

مجموعه‌ای از آهنرباهای دائمی (Nd – Fe – B) به صورت متناوب S و N زیر محفظه آلومینومی که حاوی سیال مغناطیسی و ذرات ساینده (5-10 درصد حجمی) چیده شده است. زمانی که میدان مغناطیسی اعمال می‌شود ذرات Fe3O4 به سمت پایین، محلی که میدان مغناطیسی قوی‌تر است جذب می‌شوند و ذرات غیر مغناطیسی معلق در سیال یک نیروی شناوری به سمت بالا، محلی که میدان مغناطیسی ضعیف‌تر است اعمال می‌کند. ذرات ساینده، ساچمه‌های سرامیکی و صفحه شناور اکریلیکی داخل محفظه اجزاء غیر مغناطیسی هستند که به وسیله نیروی شناوری داخل سیال شناور می‌مانند. قسمت فوقانی که به اسپیندل متصل است را به قدری پایین می‌آید که تماسی سه نقطه‌ای برای ساچمه فراهم گردد. بدین صورت که از سمت پایین به صفحه شناور، از سمت کناری به دیواره و از سمت بالا به قسمت فوقانی متصل به اسپیندل که حرکت چرخشی را تامین می‌کند. علاوه بر موارد ذکر شده عمل پایین آمدن تا ارتفاع معینی ادامه پیدا می‌کند یا به عبارت دیگر نیروی مشخصی به ساچمه‌ها اعمال شود. جهت اندازه‌گیری مقدار نیرو یک نیروسنج پیزوالکتریکی بین محفظه و ماشین‌ابزار تعبیه می‌شود تا مقدار نیروی وارده را مشخص کند. ساچمه‌ها به وسیله ذرات ساینده و به کمک نیروی شناوری اعمالی از سوی سیال و چرخش اسپیندل پولیش‌کاری می‌شوند. مقادیر عیوب سطحی سطوح پولیش‌کاری‌ای که با این روش بدست ‌می‌آیند به حداقل ممکن می‌رسد چرا که نیروی اعمالی بسیار کمتر (N 1)، ناشی از نیروی شناوری حاصل از میدان مغناطیسی از طریق صفحه شناور به ساچمه‌ها وارد می‌آید. نقش اصلی صفحه شناور اکریلیکی ایجاد فشار پولیش‌کاری یکنواخت‌تر و بزرگ‌تر می‌باشد. جهت جلوگیری از ساییده شدن قسمت داخلی دیواره محفظه یک لایه لاستیکی اورتان چسبانده می‌شود. قسمت بالای محفظه که به اسپیندل متصل است از جنس غیرمغناطیسی و فولاد ضدزنگ آستنیتی می‌باشد.
پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی (CMP)
اساس پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی بر پایه خاصیت شیمیایی و به کمک نیروی مکانیکی نا چیز می‌باشد]5[. عملکرد این روش بستگی به حضور شرایط مناسب پارامترهای فشار و دما در منطقه تماسی پروسه پولیش کاری دارد. وجود شرایط مناسب منجر به تشکیل لایه واکنشی شیمیایی به واسطه وجود ذرات ساینده، قطعه کار و محلول پولیش کاری می شود. این لایه ترکیبی شیمیایی بر روی قطعه کار که همان ساچمه های سرامیکی است تشکیل می شود. سپس با اعمال نیروی بسیار کمی این لایه از روی ساچمه ها جدا شده و سطح یکنواخت و صافی روی آن به جای می گذارد.
روش پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی نیازمند انتخاب صحیح و دقیق نوع ذرات ساینده و شرایط محیطی اعمالی بر قطعه کار مورد نظر می باشد. پارامترهای سینماتیکی و ترمودینامیکی نقش بسیار مهمی بر روی میزان واکنش‌های شیمیایی انجام شده حین پروسه پولیش‌کاری دارد. زمانی که تمامی شرایط مهیا گردد لایه های شیمیایی به وسیله واکنش های شیمیایی به وجود می‌آیند سپس به کمک نیروی مکانیکی اعمالی توسط مواد ساینده روی لایه‌ها، این لایه‌ها از قطعه‌کار جدا می‌شوند]5[. از آنجایی که براده‌برداری به وسیله چنین مکانیسمی انجام می ‌گیرد لذا نرخ براده‌برداری مستقل از میزان سختی قطعه‌کار خواهد بود. به عبارت دیگر براده‌برداری به کمک مواد ساینده نرمتر از جنس قطعه‌کار امکان ‌پذیر خواهد بود.‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ از نظر تئوری هر ماده ساینده‌ای که تحت شرایط معین بتواند با قطعه‌کار وارد واکنش شیمیایی شده و لایه‌های شیمیایی مورد نظر را به وجود آورد می‌توان از آن در روش پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی استفاده نمود .ولی از آنجایی که برخی از ذرات ساینده از قطعه‌کار سخت‌تر می باشند لذا حین پروسه پولیش‌کاری می‌توانند اثرات مخربی روی سطح پولیش‌کاری مانند ایجاد خراش نمایند. بنابراین در شرایط خشن‌کاری که نرخ بالای براده‌برداری مد نظر می‌باشد. استفاده از ذرات ساینده‌ای که سخت‌تر از جنس قطعه‌کار هستند می‌تواند رضایت‌بخش باشد ولی در مرحله نهایی پولیش‌کاری جهت اجتناب از خراش‌های ناخواسته روی قطعه‌کار باید از ذرات ساینده با سختی نسبی کمتر استفاده نمود.
در مرحله نهایی پولیش‌کاری بهتر است جنبه مکانیکی فرآیند براده‌برداری را به حداقل خود برسانیم تا کیفیت سطح مطلوبی حاصل گردد.
از آنجایی که قطعه‌کار مورد نظر ساچمه‌های سرامیکی نیترات سیلیکون می‌باشد لذا ذرات ساینده مورد استفاده در این روش بهتر است از لحاظ سختی نسبت به نیترات سیلیکون در سطح پایینتری قرار داشته باشد. همچنین برای بالا بردن نرخ براده‌برداری انتخاب ذرات ساینده‌ای که میزان واکنش‌پذیری با نیترات سیلیکون بیشتر و از لحاظ زمانی سریعتر از سایر ذرات ساینده باشد امری ضروری می‌باشد.
بر اساس مطالعات انجام یافته]8[ پودر ساینده CeO2 جهت پولیش‌کاری Si3N4 پیشنهاد گردیده شده است. از آنجایی که سختی CeO2 کمتر از Si3N4 می‌باشد لذا در مرحله نهایی پولیش‌کاری مشکلاتی از قبیل خراشیده شدن سطح ساچمه‌ها توسط ذرات ساینده به وجود نخواهد آمد. در ادامه، بحث مختصری در باره علل انتخاب ذرات ساینده CeO2 جهت پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی Si3N4 ارائه می‌گردد:

Share