فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و دوم شماره 6 (خرداد 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/02/20
  • تعداد عناوین: 6
|
  • مسعود بیات*، سعید امینی صفحات 357-369

    ماشین کاری قطعات سخت یکی از مهم ترین چالش های صنایع تولیدی است. از این رو روش های نوینی به ماشین کاری سنتی افزوده شده است. ماشین کاری به کمک ارتعاشات التراسونیک از جمله این روش ها است. مزایای استفاده از ارتعاشات التراسونیک نسبت به ماشین کاری سنتی شامل کاهش نیروهای ماشین کاری، کاهش سایش ابزار و اصطکاک، افزایش عمر ابزار، ایجاد شرایط برشی متناوب، افزایش قابلیت ماشین کاری مواد سخت برش و غیره است. برای ارتعاش ابزار، یک هورن از جنس فولاد با فرکانس تشدید 20633 هرتز توسط نرم افزار آباکوس تحلیل و سپس ساخته شد. در این مطالعه، اثرات پارامترهای سرعت دورانی، نرخ پیشروی، شرایط ماشین کاری معمولی و ارتعاشی در سه سختی 15، 30 و 45 راکول سی مختلف برای قطعه کار بر دمای ماشینکاری، زبری سطح و فرسایش ابزار مورد ارزیابی قرار گرفت. طراحی آزمایش ها به صورت فاکتوریل کامل بوده و در مجموع، 54 آزمایش انجام شد. نتایج نشان داد در سختی های بالاتر توسط اعمال ارتعاشات زبری سطح کاهش یافت. زبری سطح Ra)) در ماشین کاری به کمک ارتعاشات التراسونیک نسبت به ماشین کاری معمولی در پارامترهای مختلف ماشین کاری تا حدود 36 درصد کمتر است. همچنین با افزایش سختی قطعه کار فرسایش ابزار بیشتر شده است که توسط اعمال ارتعاشات التراسونیک این فرسایش ابزار نسبت به حالت ماشین کاری معمولی کمتر است. علاوه بر این دمای ماشینکاری در مجموع در سختی های بالاتر قطعه کار در حالت ارتعاشی حداکثر 15 درصد کمتر است. با اعمال ارتعاشات فرسایش ابزار در مجموع کاهش یافته است که می توان با انتخاب ابزار سرمتی و اعمال ارتعاشات شرایط فرسایش ابزار را در ماشین کاری فولاد 4140 AISI به حداقل رساند.

    کلیدواژگان: تراشکاری، ماشین کاری به کمک ارتعاشات التراسونیک، عمر ابزار، دمای ماشین کاری، زبری سطح، فولاد AISI 4140، سختی قطعه کار
  • فاطمه تقی زاده رمی، مجید الیاسی* صفحات 371-380

    در این مقاله، خمکاری لوله های تیتانیومی با استفاده از ساچمه های فولادی در سایزهای mm5/0و mm85/0 و گرم کاری مقاومتی با روش های تجربی و شبیه سازی بررسی شده است. برای انجام آزمایش ها، لوله تیتانیوم گرید 2 با قطر خارجی mm4/25 و ضخامت mm5/0 استفاده شده و برای جلوگیری از خروج ساچمه و اعمال فشار در دو انتهای لوله، درپوش های مسدود کننده دو سر لوله، طراحی و استفاده شده است. جهت اعمال دما در خمکاری کششی دورانی لوله ها، کابل های جریان الکتریکی به دو طرف لوله متصل گردید و آزمایش هایی در دماهای محیط، °C100، °C200، °C300 و °C400 با نسبت خم 8/1 و زاویه خم °90 انجام گردید. پس از انجام آزمایش ها، اعوجاج سطح مقطع، چروک، پارگی و توزیع ضخامت لوله های خمکاری شده مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده از این مقاله نشان داد که در صورت خمکاری در دمای محیط با ساچمه و بدون ساچمه های فلزی، لوله ها قابل خمکاری نبودند. در فرآیند خمکاری با سرعت ثابت 8/0 رادیان بر ثانیه، با قرارگیری ساچمه های فلزی درون لوله و افزایش دما به دماهای °C100، °C200 و °C300 ضخیم شدگی در ناحیه داخلی خم 8/9% کاهش یافته و نازک شدگی در دیواره خارجی خم به میزان 4/8% افزایش می یابد. همچنین عیب پارگی در دمای °C400 با تغییر سرعت خمکاری از 8/0 به 4/0رادیان بر ثانیه برطرف شد. به دلیل افزایش فشار ناشی از ساچمه های فولادی در منطقه خم، اعوجاج سطح مقطع در لوله ها به میزان 4/10% کاهش یافت. لوله هایی که در دمای °C300 به همراه ساچمه های فولادی خم شدند دارای بهترین شرایط خم و کمترین میزان عیب بودند.

    کلیدواژگان: ساچمه های فولادی، گرم کاری مقاومتی، اعوجاج سطح مقطع، چروکیدگی، تغییر ضخامت، پارگی
  • مرتضی شکیباسرشت، محمود ذبیح پور* صفحات 381-392

    پرس در کانال های هم مقطع زاویه دار (ECAP)[1] یکی از روش های پالایش و ریزدانه نمودن مواد فلزی می باشد. در این تحقیق عملیات ایکپ به روی نمونه هایی از آلیاژ 5182، در 1 تا 4 پاس در دمای محیط انجام شده است.  بعد از ایکپ ، نمونه ها برای بدست آوردن خواص مکانیکی مانند سختی سنجی، تست کشش و متالوگرافی آماده شده اند. نتایج حاصل از این آزمایشات نشان داد که خواص مکانیکی مواد ایکپ شده نسبت به حالت معمولی بهبود یافته است. با استفاده از میکروسکوپ روبشی[2] مشاهده شد اندازه ی دانه به طور متوسط از 131 میکرومتر در حالت اولیه به 745 نانومتر بعد از فرآیند ایکپ بعد از پاس چهار کاهش پیدا کرده است. نتایج حاصل از سختی سنجی نیز افزایش 213 درصدی را نسبت به حالت معمولی نشان داد. افزایش تنش تسلیم نیز بعد از 4 پاس در حدود 3 برابر می باشد. در نهایت، رشد ترک این مواد تحت بارگذاری خستگی با ایجاد پیش ترک مناسب با حالت بدون ایکپ مقایسه شده است و مشاهده گردید که رشد ترک در مواد ایکپ شده سریع تر می باشد و سطح شکست در مقایسه با حالت معمولی هموارتر شده است. همچنین انحراف ترک از مسیر خود در مواد ریز ساختار نسبت به حالت معمولی کمتر می باشد. در انتها، با مقایسه نتایج آزمایشگاهی رشد ترک با نتایج حاصل از تحلیل عددی، صحت نتایج عددی اعتبارسنجی و تایید شده اند.


    کلیدواژگان: ایکپ، خواص مکانیکی، مواد نانو ساختار، رشد ترک خستگی
  • مهدی آهنگر*، عارفه حسینی صفحات 393-406

    در این پژوهش، جریان کانال ناشی از پلاسمای تخلیه ی مانع دی الکتریک تحت میدان مغناطیسی اعمالی برای استفاده به عنوان تراستر در کاربردهای پیشرانشی پیشنهاد شده و به صورت تجربی مورد مطالعه قرار گرفته است. اندازه گیری های مقادیر نیروی پیشران و توان مصرفی تراستر به ازای مقادیر مختلف ضخامت مانع دی الکتریک انجام شده و داده ها با مقادیر متناظر با حالت بدون میدان مغناطیسی مقایسه شده اند. مشخص گردید که توان مصرفی و نیروی پیشران تراستر در حضور میدان مغناطیسی نسبت به حالت بدون آن، به ترتیب قدری کاهش و افزایش پیدا می کنند. اندازه گیری ها نشان می دهند که با افزایش یکنواخت ولتاژ اعمالی در دامنه 12 تا 26 کیلوولت، پارامترکارایی تا حداکثر مقدار خود افزایش و سپس کاهش می یابد. یک تحلیل مبتنی بر قانون توانی برای آشکار کردن روابط بین پارامتر کارایی، نیروی پیشران، توان مصرفی و ولتاژ اعمالی برای تراستر برای حالت با و بدون میدان مغناطیسی ارایه شده است. نتایج نشان می دهند که حضور میدان مغناطیسی و مانع دی الکتریک ضخیم تر می توانند منجر به مقادیر بالاتر پارامترکارایی به ویژه پس از انتقال از رژیم برافروختگی به رژیم رگه ای شوند. اثرات میکروکانال های تخلیه در هر دو رژیم مذکور بر پارامتر کارایی مورد بحث قرار گرفته است. مشاهدات تجربی نشان می دهند که در حضور میدان مغناطیسی، میکروکانال های تخلیه ی اضافی تولید شده و در امتداد خطوط میدان مغناطیسی توسعه می یابند، به طوری که انتشار نفوذی تخلیه در پلاسما قوی تر می شود. مکانیزم فیزیکی حاکم بر این پدیده ها تشریح شده و عمدتا به میزان یونیزاسیون افزایش یافته ی ناشی از میدان مغناطیسی مرتبط شده است.

    کلیدواژگان: اندازه گیری تجربی، قانون توانی، رژیم رگه ای، روش خازن ناظر
  • مجتبی شجاع الدین، سید حجت هاشمی*، علی اکبر مجیدی جیرندهی صفحات 407-417

    به منظور استفاده از ظرفیت های بالاتر در سامانه های انتقال انرژی ایران، لوله های استاندارد شده API از جنس فولاد API X65 موردتوجه قرارگرفته است. جهت دست یابی به سطوح استحکام موردنیاز، استفاده از فرآیند نورد کنترل شده ترمومکانیکی اجتناب ناپذیر است. این فرآیند ذاتا خواص مواد ناهمسانگرد را در ورق لوله فولادی ایجاد می کند. علاوه بر این، تولید لوله جوشکاری شده مارپیچ شامل مراحلی است که می تواند منجر به ایجاد خواص مکانیکی متفاوتی در جهات مختلف شود. هدف تحقیق حاضر این است که وابستگی به جهت انرژی شکست شارپی، اندازه گیری شود. از این رو، اثر تغییر زاویه نمونه استخراجی نسبت به جهت نورد و همچنین اثر تغییر جهت شیار نمونه شارپی (در کل سه جهت شیار A، B و C) بر انرژی شکست فولاد API X65 به صورت تجربی بررسی شده است. بیشترین تغییرات میانگین انرژی شکست شارپی در زوایای مختلف نسبت به جهت نورد، حداکثر 13 درصد است (در جهت شیار B) ولی بیشترین تغییرات میانگین انرژی شکست شارپی بین جهت های شیار مختلف، حداکثر 2/12 درصد است (در زاویه صفر درجه). در نتیجه اثر تغییر زاویه نمونه استخراجی نسبت به جهت نورد بر روی انرژی شکست شارپی، بیشتر از اثر تغییر جهت شیار نمونه است. همچنین، در زاویه 5/67 درجه نسبت به جهت نورد (معادل با جهت قطری لوله)، بیشترین انرژی شکست برای تمامی جهات شیار حاصل شد. بنابراین می توان انتظار داشت که در جهت قطری لوله، احتمال ایجاد و رشد ترک تحت بار ضربه ای کمتر باشد. به منظور مقایسه کمی تغییرات انرژی شکست در جهات شیار متفاوت، برای نخستین بار شاخصی با عنوان شاخص ناهمسانگردی تعریف و ارایه شده است.

    کلیدواژگان: آزمایش ضربه شارپی، ناهمسانگردی انرژی شکست، لوله انتقال گاز، انرژی شکست، فولاد ای پی آی ایکس 65
  • محمدجواد زینل بیک، روح الله حسینی*، سید محمدمحسن مدرس، محمدجواد عامری صفحات 419-428

    یکی از مهمترین راه های اثبات شده در کاهش مصرف سوخت ماهواره برها؛ استفاده از سیستم‏های جدایش چند مرحله ای است. این سیستم های جدایش بر اساس مکانیزم عملکرد به دو دسته انفجاری و غیر انفجاری تقسیم می شوند. امروزه سیستم های جدایش غیر انفجاری به دلیل ویژگی هایی از جمله سهولت نگهداری، کاهش خطرات مربوط به انفجار و کاهش شوک وارده به قسمت پیلود(Payload) مورد توجه قرار گرفته اند. یکی از انواع سیستم های جدایش غیر انفجاری، سیستم جدایش غیر انفجاری مبتنی بر رهاساز سی بی او دی  (Clamp Band Opening Device) است. در این پژوهش تغییرات ابعاد (هندسه و ضخامت) چرخ طیار که یکی از پارامترهای موثر در عملکرد رهاساز سی بی او دی می باشد، مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور شبیه سازی از نرم افزار ادمز (ADAMS) استفاده شده و نتایج با استفاده از آزمایشات تجربی بر روی نمونه ساخته شده با استفاده از پرینتر سه‏بعدی صحت‏سنجی شده است. پارامترهای زمان جدایش، شتاب خطی پیچ پادساعتگرد در راستای محور جدایش و شتاب زاویه ای چرخ طیار حول محور جدایش به عنوان پارامترهای خروجی انتخاب شده است. مشخص شد که افزایش قطر و ضخامت چرخ طیار با مدت زمان جدایش رابطه مستقیم و با شتاب زاویه ای چرخ طیار حول محور جدایش و شتاب خطی پیچ پادساعتگرد در راستای جدایش رابطه معکوس دارد. همچنین با افزایش گشتاور جرمی و جرم چرخ طیار، دامنه نوسانات شتاب کاهش می‏یابد.

    کلیدواژگان: سیستم جدایش، غیر انفجاری، سی بی او دی، زمان جدایش، شوک، ماهواره بر
|
  • Masuod Bayat*, Saeid Amini Pages 357-369

    Machining of hard workpieces is one of the most important challenges of the manufacturing industry. Hence, new methods were added to traditional machining. Ultrasonic vibration machining is one of these methods. The advantages of using ultrasonic vibrations compared to traditional machining include reducing machining forces, reducing tool wear and friction, increasing tool life, creating intermittent cutting conditions, increasing surface quality, and so on. To vibrate the tool, a horn with a resonant frequency of 20,633 Hz was analyzed by Abacus software. In this study, the effects of cutting speed, feed rate, conventional machining conditions, and vibration machining conditions at three different hardness of 15, 30, and 45 Rockwell C for the workpiece on surface roughness and tool wear were evaluated. The experiments were designed at full factorial, and a total of 54 experiments were performed. The results showed that at higher workpiece hardness by applying vibration the surface roughness was reduced. The surface roughness (Ra) in machining by means of ultrasonic vibrations is up to about 36% less than conventional machining in various machining parameters. In addition, the temperature in vibration machining is lower about 15% at higher stiffness of the workpiece. Also, with the increase in the hardness of the workpiece, the tool wear was increased, which is less by applying ultrasonic vibrations. Also, by applying vibrations, tool wear was reduced in total, which can be minimized by selecting cermet tools and applying vibrations in 4140 AISI steel machining.

    Keywords: Turning, Machining temperature, Ultrasonic assisted turning, Tool life, Surface roughness, AISI 4140 Steel, Workpiece hardness
  • Fatemeh Taghizadeh Rami, Majid Elyasi* Pages 371-380

    In this study, bending of titanium tubes using steel balls in 0.5 and 0.85 mm sizes and resistance heating with experimental and simulation methods have been investigated. In order to apply temperature in rotatory draw bending of tubes, electric current cables were connected to both sides of the tube, and experiments were performed at room temperatures, 100℃, 200℃, 300℃ and 400 ℃ with a bending ratio of 1.8 and a bending angle of 90 ° was done. After the experiments, cross-sectional distortion, wrinkles, cracking and thickness distribution of bent tubes were investigated. The results of this study showed that in the case of bending at room temperature with and without metal balls, the tubes could not be bent. In the bending process with a constant speed of 0.8 Rad/s, by placing metal balls inside the tube and increasing the temperature 100℃, 200℃ and 300℃, the thickening in the intrados of ​​the bent tube decreased by 9.8% and the thinning at the extrados of the bent tube increased by 8.4%. Also, by changing the bending speed from 0.8 to 0.4 Rad/s the cracking defect was eliminated at 400℃. Due to increased pressure due to steel balls in bending area, cross section distortion in tubes decreased by 10.4%. The best bending conditions and the least amount of defects were obtained at 300℃ with steel balls.

    Keywords: Steel balls, Resistance heating, Cross-sectional distortion, Wrinkling, Thickness distribution, Cracking
  • Morteza Shakibaseresht, Mahmood Zabihpoor* Pages 381-392

    Equal Channel Angular Pressing (ECAP) is one of the methods of refining and fine-graining metal materials. In this research, ECAP operation was performed on samples of 5182 alloy in 1 to 4 passes at ambient temperature. After implementation of the specimens through ECAP, prepared to obtain mechanical properties such as hardness, tensile and metallography. The results of these experiments showed that the mechanical properties of the packed materials through ECAP have improved compared to the normal state. Using a scanning microscope, it was observed that the average grain size decreased from 131 μm in the initial state to 745 nm after the ECAP process after the fourth pass. The results of hardness test also showed a 213% increase compared to normal.  The increase in yield stress after 4 passes is about 3 times. Finally, the crack growth of these materials under fatigue loading was compared with the non-ECAP mode by creating a suitable pre-crack. It was observed that crack growth is faster in ECAP materials and the failure surface is smoother compared to normal. Also, the deviation of the crack from its path in microstructure materials is less than normal. Finally, by comparing the Experimental results of crack growth with the results of numerical analysis, the accuracy of the numerical results is validated and confirmed.

    Keywords: ECAP, Mechanical peroperties, Nano-Structured Materials, Fatigue Crack Growth
  • Mahdy Ahangar*, Arefeh Hoseini Pages 393-406

    In this research, the dielectric barrier discharge plasma driven channel flow with the applied magnetic field has been proposed for use as a thruster in propulsion applications and studied experimentally. Measurements of the thrust and consumed power of thruster for different values of the barrier thickness have been performed and the data have been compared with the corresponding ones without magnetic field. It is found that consumed power and thrust of the thruster in the presence of magnetic field are respectively little reduced and increased than that without the magnetic field. The measurements show that the effectiveness increases to a maximum and then drops as the operating voltage monotonically increases over a range from 12 to 26 kV. A power law analysis for revealing the relationships among the effectiveness, thrust, consumed power, and operating voltage has been presented for the thruster with and without the magnetic field. It is seen that the applied magnetic field and thicker dielectric barrier can lead to a higher effectiveness at the point of transition from the glow regime to the filamentary regime. The effects of micro-discharge channels on the effectiveness in the both regimes have been discussed. The observations indicate that in the presence of magnetic field, the additional micro-discharge channels are generated and develop along the magnetic field lines and the diffuse background emission of the discharge is stronger in plasma. The underlying physical mechanisms of mentioned phenomena have been explained and mainly ascribed to the enhanced ionization by applying the magnetic field.

    Keywords: Experimental measurements, Power law, Filamentary regime, Monitor capacitor method
  • Mojtaba Shojaeddin, Sayyed Hashemi*, Ali Akbar Majidi-Jirandehi Pages 407-417

    To use higher capacities in Iran's energy transmission systems, API standardized pipes made of API X65 steel have been utilized (made of thermo-mechanically controlled rolling process, TMCR steels). The TMCR inherently increases the anisotropic properties of steel coils and plates used for pipe manufacturing. In addition, the production of helical welded pipe involves steps that can lead to different mechanical properties in different directions. The aim of the present study is to measure the orientation dependence of the Charpy fracture energy. Therefore, the effect of changing the angle of specimens relative to the rolling direction and also the effect of changing the notch orientation (three notch A, B and C in total) on the fracture energy in API X65 steel has been experimentally determined. The maximum change in the average Charpy fracture energy at different angles relative to the rolling direction is a maximum of 13% (in notch B), but the largest change in the average Charpy fracture energy between different notches is a maximum of 12.2% (at an angle of 0 °). As a result, the effect of changing the angle of the specimen relative to the rolling direction is greater than the effect of changing the notch orientation on the Charpy fracture energy. Also, at an angle of 67.5 degrees to the direction of rolling (equivalent to the diagonal direction (D-D)), the most fracture energy for all notches was obtained. To quantitatively compare the fracture energy changes in different notches, an index called anisotropy index has been presented.

    Keywords: Charpy impact test, Anisotropy, Fracture energy, Gas Transportation pipeline, API X65 steel
  • Mohammad Javad Zeinalbeyk, Rouhollah Hosseini*, Seyyed Mohammad Mohsen Modarres, Mohammad Javad Ameri Pages 419-428

    One of the most proven ways to reduce satellite launch vehicles fuel consumption is to use multistage separation systems. These separation systems based on mechanism of operation divided into two category, explosive and non-explosive. Nowadays, non-explosive separation systems have been considered due to their features such as ease of maintenance, reduction of explosion hazards and reduction of shock to payload. One type of non-explosive separation systems is separation systems based on CBOD (Clamp Band Opening Device) releaser. In this study, changing the dimensions (geometry and thickness) of the flywheel which is one of the effective parameters in the CBOD release performance, have been investigated. Adams software (ADAMS) was used for simulation and the Results have been validated using experimental test on sample made by 3D printer. The parameters of separation time, linear acceleration of Counter-clockwise screw along separation axis and angular acceleration of flywheel around separation axis has been selected as output parameters. It was found that the increase in diameter and thickness of the flywheel is directly related to the separation time and inversely related to the angular acceleration of the flywheel around the separation axis and the linear acceleration of the Counter-clockwise screw along separation axis. Also, with increasing moment of inertia and mass of the flywheel, the amplitude of acceleration fluctuations has decreased.

    Keywords: Separation system, non-explosive, CBOD, Separation time, Shock, Satellite launch vehicle