فهرست مطالب
نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و دوم شماره 8 (امرداد 1401)
- تاریخ انتشار: 1401/04/26
- تعداد عناوین: 6
-
-
صفحات 497-508
در این پژوهش اثر افزودن کلسیم و بور بر ریزساختار و خواص فشاری آلیاژ ریختگی منیزیم 91AZ مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا به منظور تعیین مقدار مطلوب افزودن کلسیم از منظر کاهش اندازه دانه و حضور فازهای ثانویه به میزان 0.1 ،0.5 ،0.8 و 1 درصد وزنی کلسیم به آلیاژ 91AZ افزوده شد. بررسی های ریز ساختاری نشان داد که با افزودن 0.5 درصد وزنی کلسیم اندازه دانه از 105 به 65 میکرومتر کاهش یافته است بدون اینکه فاز Al2Ca ایجاد گردد. همچنین اثر مشابه ای بر روی فازهای مرزدانه ای در هنگام افزایش مقدار کلسیم افزودنی ملاحظه شد. سپس این آلیاژ با افزودن مقادیر 0.03، 0.09 و 0.12 درصد وزنی بور، به شکل آمیژانAlB3، از نظر ریزساختار ریختگی و خواص مکانیکی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که غلظت مطلوب بور، به منظور دستیابی به بالاترین میزان ریزدانگی، 0.09 درصد وزنی است. همچنین ارزیابی خواص فشاری نمونه های حاوی 0.5 در صد وزنی کلسیم و مقادیر مختلف بور نشان می دهد که آلیاژ دارای 0.09 درصد وزنی بور بهترین خواص فشاری را ارایه نموده است .
کلیدواژگان: آلیاژ ریختگی منیزیم AZ91، ساختار ریختگی، خواص فشاری، کلسیم، بور -
صفحات 509-518
در مقاله حاضر، فرسایش ذرات جامد آلیاژ Ti-6Al-4V تحت برخورد ذرات فرساینده کروی آلومینا به قطر 85 میکرون، با استفاده از مطالعات تجربی و مدل سازی به روش هیدرودینامیک ذرات هموار بررسی می گردد. رفتار فرسایشی این آلیاژ به صورت ضربه در مقیاس مایکرو و مبتنی بر معادلات ساختاری جانسون کوک شبیه سازی شده است. در این پژوهش، بر روی اثر سرعت ذرات فرساینده و زاویه برخوردی بر نرخ فرسایش، به عنوان مهم ترین عوامل موثر بر فرسایش، تمرکز شده است. هم چنین نتایج حاصل از مدل حاضر با نتایج تجربی حاصل از آزمایش در شرایط مورد نظر صحت سنجی می گردد. در انتهای مقاله، یک معادله به منظور پیش بینی نرخ فرسایش بر اساس خواص آلیاژ، سرعت ذرات فرساینده و زاویه برخورد برای بازه سرعت و زاویه تحت بررسی ارایه شده که با توجه به گستردگی بازه مورد بررسی، معادله مذکور بسیار ارزشمند می باشد. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می دهد که بین سرعت ذرات و نرخ فرسایش یک رابطه توانی برقرار بوده که توان این رابطه مستقل از زاویه برخورد ذرات می باشد. هم چنین در تمام بازه های سرعت و زاویه تحت بررسی، زاویه برخوردی 45 درجه، بیشترین میزان نرخ فرسایش را از خود نشان داد. بنابراین زاویه بحرانی در فرسایش نیز مستقل از سرعت برخورد ذرات می باشد.
کلیدواژگان: فرسایش ذرات جامد، آلیاژ Ti-6Al-4V، مدل ساختاری جانسون کوک، هیدرودینامیک ذرات هموار -
صفحات 519-528
رفتار تغییرشکل ماده در فرایندهای میکرو شکل دهی به علت وجود اثر اندازه متفاوت با مقیاس ماکرو است. اثر اندازه در مقیاس میکرو به علت وجود دانه های محدود در ناحیه تغییرشکل اتفاق می افتد و موجب می شود تا رفتار ماده متاثر از ضخامت و اندازه دانه ورق شود. به همین علت، مدل های ساختاری متداول توانایی پیش بینی رفتار ماده در فرایندهای میکرو شکل دهی را ندارند. در این مقاله، مدل ساختاری جدید بر اساس معادله سوییفت و با در نظر گرفتن اثر اندازه در مقیاس میکرو برای توصیف رفتار کرنش-سختی ورق فولاد زنگ نزن 304 ارایه گردید. ارزیابی منحنی جریان نمونه های با اندازه دانه مختلف نشان داد که پیش بینی تنش جریان ماده با مدل ساختاری جدید به خصوص در کرنش های بالا نسبت به مدل موجود بهبود می یابد، به طوری که میانگین و بیشینه خطای مدل جدید به ترتیب کم تر از یک سوم و کم تر از نصف خطای مدل متداول است. شبیه سازی اجزای محدود آزمون کشش میکرو با بکارگیری مدل ساختاری جدید برای بررسی اثر اندازه روی رفتار تغییرشکل نمونه ها انجام شد. صحت مدل ساختاری جدید با مقایسه نتایج آزمون های تجربی و شبیه سازی اجزای محدود ورق های با اندازه دانه مختلف مورد تایید قرار گرفت. هم چنین، نتایج آزمون کشش نشان داد که تخمین نیروی شکل دهی با استفاده از مدل جدید با دقت بالاتری نسبت به مدل های متداول و موجود برای ورق های با اندازه دانه مختلف و محدوده کرنش های بالا انجام می شود.
کلیدواژگان: مدل ساختاری، منحنی جریان، میکرو شکل دهی، اثر اندازه، مقیاس میکرو -
صفحات 529-539
فرسایش ابزار تاثیر به سزایی در فرآیند ماشینکاری دارد. بررسی های متعددی برروی پایش فرسایش ابزار از طریق روش های متفاوت و با استفاده از سنسورهای مختلف، به منظور پیش بینی فرسایش ابزار انجام شده است. در این مقاله، مکانیزهای تولید صوت در حین فرآیند تراشکاری به طور جامعی بررسی شده اند و سه منبع اصلی تولید صوت تعیین و از یکدیگر متمایز شده اند. مکانیزم های تولید صوت با منشا ارتعاشات ابزار، تغییر شکل در قطعه کار و ارتعاشات در سطوح تماس (اصطکاک) بررسی و محدوده ی فرکانسی صوت ایجاد شده از طریق هر یک از این فرآیندها، مشخص شده اند. نشان داده شده است که مکانیزم های ذکر شده به ترتیب در محدوده ی چند ده هرتز، چند کیلوهرتز و چند مگاهرتز تولید صوت می نمایند. پس از آن مکانیزمی که برای پایش ابزار مناسب تر باشد بررسی و انتخاب شده است. سپس ارتباط بین آن مکانیزم تولید صوت و فرآیند تشکیل براده حین ماشینکاری مورد مطالعه قرار گرفته و درک عمیق تری از فرآیند ماشینکاری ایجاد شده است. یافته های این مقاله، نه تنها بر مبنای روش های پردازش سیگنال، بلکه بر اساس شناخت فیزیک و ذات فرآیند، می تواند به یک روش پایش فرآیند ماشینکاری موثر و قابل اتکا منجر شود. جهت صحه گذاری روابط توسعه داده شده و مدل های ایجاد شده تست های تجربی انجام شده است و نتایج تست های تجربی کارایی مدل های پیشنهادی را نشان می دهد.
کلیدواژگان: مکانیزم های تولید صوت، فرسایش ابزار، ماشینکاری، بررسی فرکانسی -
صفحات 541-553
استفاده از عملگرهای الاستیک سری در ربات های اسکلت خارجی باعث افزایش سطح راحتی در کاربران شده است. در این مقاله برای یک ربات اسکلت خارجی زانو که مجهز به یک عملگر الاستیک سری است، کنترلری ارایه و پیاده سازی شده است تا افراد دارای ضعف عضلانی بتوانند با استفاده از این ربات حرکات خود را بازیابی نمایند. هدف اصلی کنترلر ارایه شده اصلاح پاسخ دینامیکی سیستم کوپل انسان-ربات می باشد. به عبارت دیگر، کنترلر ارایه شده رابطه بین گشتاور اعمال شده خالص توسط ماهیچه انسان و برآیند حرکت زاویه ای زانو را به گونه ای تنظیم می کند تا یاری گری موثر ایجاد شود. در این روش که مستقل از قصد بیمار است، سنسورهای کمتری نسبت به سایر روش ها استفاده شده است. همچنین، ضرایب کمتری برای تنظیم دارد که این ضرایب با استفاده از منطق فازی نوع صفر تاکاگی-سوگینو-کانگ محاسبه می شوند. عملکرد ربات ساخته شده اس یو تی-نی اگزو (SUT-KneeExo) و کنترلر ارایه شده، بر روی یک فرد ارزیابی شده است. نتایج شبیه سازی و ارزیابی عملی نشان می دهد ربات اسکلت خارجی به خوبی توانسته است دامنه سیگنال های الکترومایوگرافی را کاهش دهد که به معنی یاری رسانی در حین حرکت است. همچنین، مقایسه الگوریتم ارایه شده با حالت های غیریاری شده، کنترل یاری گر بر مبنای شکل دهی انتگرال ادمیتانس و کنترل یاری گر فیدبک خروجی نشان می دهد که الگوریتم ارایه شده عملکرد بهتری دارد. به عبارت دیگر، در الگوریتم ارایه شده دامنه ادمیتانس انتگرالی بیشتر و اختلاف فاز کمتر شده است.
کلیدواژگان: ربات اسکلت خارجی، روش کنترلی پسخور خروجی فازی، کنترل یاری گر، ادمیتانس انتگرالی -
صفحات 555-565
به دلیل اهمیت اتصال در تجهیزات تحت فشار و قابلیت های جوش لیزر، در این تحقیق به بررسی تجربی و تحلیل پارامترهای لیزر پالسی برای جوشکاری لوله های فولادی زنگ نزن AISI316L پرداخته ایم. در این راستا فیکسچری برای موقعیت دهی لوله، طراحی و پس از ساخت روی ماشین لیزر نصب گردید. متغیرهای ورودی شامل پارامترهای تنظیمی پرتوی لیزر (شدت جریان، پهنای پالس، فرکانس) می باشند. همزمان با آن ها اثر دو پارامتر دیگر (سرعت دورانی و نیروی فشاری وارد به درز تماس دو لوله در حال جوشکاری) نیز بررسی شده است. متغیرهای پاسخ (خروجی ها) شامل عرض، عمق نفوذ و استحکام جوش می باشند. داده های تجربی با اجرای آزمایش های طرح 27L تاگوچی جمع آوری شدند. سپس با برازش توابع رگرسیونی مختلف بر داده ها، رابطه بین متغیرهای ورودی با هر یک از مشخصه های خروجی برقرار گردید. بر اساس تجزیه و تحلیل واریانس، دو پارامتر پهنای پالس و شدت جریان با مجموع بیش از 70% مشارکت، در تغییر هر سه مشخصه خروجی تاثیر غالب دارند. همچنین نیروی اعمالی به درز تماس فقط بر عمق نفوذ و استحکام جوش موثر است. در بهینه سازی چند هدفه با توجه به ترتیب اهمیت متغیرهای خروجی (1-استحکام، 2-عمق نفوذ 3-عرض جوش)، سطح بهینه پارامترهای ورودی تعیین گردید. در پایان نمونه بهینه ای با جوشکاری لیزر ساخته شد که در مقایسه با نمونه های طرح آزمایش ، عمق نفوذ آن با ضخامت دیواره لوله متناسب تر، منحنی مرزهای جوش یکنواخت تر و استحکام آن به فلز پایه نزدیک تر می باشد.
کلیدواژگان: جوشکاری لیزر، طراحی آزمایش، مدلسازی رگرسیونی، آنالیز واریانس، بهینه سازی
-
Pages 497-508
In this study, the effect of calcium and boron addition has been investigated on the microstructure and compression properties of AZ91 alloy. Initially, in order to determine the optimal calcium amount to reduce the grain size and the presence of secondary phases, 0.1, 0.5, 0.8 and 1 weight percent of calcium were added to the AZ91 alloy. The microstructure evaluation showed that an increase of calcium up to 0.5wt. % decreased the average grain size from 105 μm to 65 μm without the formation of Al2Ca phase. The similar tendency on grain boundary phases are also observed when increasing quantity of Ca added. The microstructure and mechanical properties of the alloy was then evaluated by adding 0.03, 0.09 and 0.12wt. % B in the form of Al-3B master alloy. The results showed that the optimum concentration of boron is 0.09wt.% in order to achieve the lowest average grain size. In addition, the measured compression properties of samples containing 0.5wt. % calcium with different amounts of boron showed that the alloy with 0.9wt. % B presented the best mechanical properties.
Keywords: AZ91 cast magnesium alloy, Microstructure, Compression properties, Calcium, Boron -
Pages 509-518
In the present study, solid particle erosion of Ti-6Al-4V alloy under the impact of spherical alumina particles with a diameter of 85 microns was analyzed using experimental studies and smoothed particle hydrodynamics (SPH) modeling. The erosive behavior of this alloy was simulated as impacts on micro-scale and based on Johnson-Cook constitutive equations. This research focuses on the effect of particle velocity and impact angle on erosion rate as the most critical factors. Additionally, the results of this model are validated by empirical results under-considered conditions. At the end of the article, based on the alloy properties, the velocity of particles, and impact angle, a prediction equation was presented on erosion rate in the studied range of velocity and impact angle. This study indicates a power-law equation between the velocity of particles and the erosion rate, where the power is independent of impact angle. Furthermore, in all the velocity and angle ranges, the maximum erosion rate was associated with the angle of 45o. Therefore, the critical angle in erosion is also independent of the velocity of particles.
Keywords: Solid particle erosion, Ti-6Al-4V alloy, Johnson-Cook constitutive model, smoothed particle hydrodynamics -
Pages 519-528
The deformation behavior of the material in micro-forming processes is different from macro-scale due to the size effect. The size effect in micro-scale appears due to few grains in the deformation region and causes the material behavior to be affected by the thickness and grain size of the sheet. Because of this, conventional constitutive models are not suitable for predicting the material behavior in micro-forming processes. In this paper, a new constitutive model based on the Swift equation and considering size effect in micro-scale is presented to describe the strain-hardening behavior of the stainless steel 304 foil. Comparison of flow stress curves of specimens with different grain sizes showed that the prediction of material flow stress with the new constitutive model is improved compared to the existing model, especially at high strains, so that the average and maximum error of the new model is less than one-third and less than half of the conventional model error, respectively. Finite element simulation of the micro-tensile test was performed using the new constitutive model to investigate the size effect on the deformation behavior of the specimens. The new constitutive model was verified by comparing the results of experimental tests and finite element simulation of sheets with different grain sizes. Also, the results revealed that the estimation of the forming force using the new constitutive model is done with higher accuracy than the conventional and existing model for sheets with different grain sizes and high strain ranges.
Keywords: Constitutive model, Flow stress curve, Micro-forming, Size effect, Micro-scale -
Pages 529-539
Tool wear has a significant influence on the turning process. Investigations on tool wear monitoring through various methods and sensors have been widely conducted to determine and predict the tool wear. In this study sound generation mechanisms during turning process have been investigated comprehensively and three sound generation sources have been determined and distinguished. Sound generation mechanisms which originated from tool vibration, deformation in the workpiece and vibration at the contact zones (friction), have been investigated and frequency range of the sound generated through each mechanism has been determined. It has been shown that these mechanisms produce sound in 10s hertz, kilohertz and megahertz respectively. Then the mechanism which is appropriate for tool condition monitoring has been studied and suggested. Then the relation between the sound generation mechanisms and chip formation has been studied during machining. Hence, a deep understanding about the machining process has been brought out. Findings could lead to an effective approach to monitoring the machining process, not only using mathematical signal processing methods, but also through a physical comprehension background. Experimental studies have been conducted to evaluate developed theories and models. Experimental results have shown effectiveness of the proposed approach.
Keywords: Sound generation mechanism, tool wear, machining, frequency analysis -
Pages 541-553
The series elastic actuators make more comfort in the use of assistive exoskeletons. In this paper, an assistive controller is designed for a series-elastic-actuator-driven knee exoskeleton to restore normative mobility of individuals with weak muscles. The main target of the proposed controller is to modify the dynamics performance of the coupled human-exoskeleton system. In other words, the proposed controller modifies the relationship between the net muscle torque exerted by the human and the resulting angular motion. There are fewer sensors in the proposed intent-independent method relative to other methods. Moreover, there are less controller coefficients to regulate where these coefficients are extracted from a type zero Takagi-Sugeno-Kang fuzzy system. The performance of the controller is evaluated by simulations and experiments. The amplitude of the EMG signals decreased in a healthy person worn the SUT-KneeExo. Moreover, the proposed algorithm has a better performance in comparison with integral admittance shaping mothed and output feedback assistive controller. In other words, the amplitude of the integral admittance is more and the phase lag is less than other methods.
Keywords: Exoskeleton Robot, Fuzzy output feedback control method, Assistive control, Integral admittance -
Pages 555-565
Due to the importance of the joints in the pressurized instruments and the abilities of the laser welding in this study, the welding of AISI316L tubes have been studied and analyzed. In this regard a fixture has been drawn in order to positioning of the tubes and fixed on the welding desk. The welding input parameters includes the laser welding adjusting variables, includes (welding current, welding pulse width, and welding frequency). Moreover, the effect of the two other variables (rotating speed and the force applied to the welding seam) has also been studied. The welding output characteristics comprises the welding width, depth of penetration and welding strength. The experimental data has been collected using L27 Taguchi design. The relation between the process input variables and output characteristics has been established using different regression models. Based on the analysis of variance (ANOVA) results, pulse width and welding current with 70% contribution have an influential effect on all the three response characteristics. Moreover, the seam force has only the influential effect on the depth of penetration and strength. Next, in optimization step based on the importance of the process characteristics (strength, depth of penetration, welding width), the optimized levels have been determined. At the end, the optimized condition has been conducted using laser welding, in comparison of which the samples in the design matrix, the welding depth has a close relation with the thickness of the wall, the welding boundaries smother and the strength has a close value to the base metal.
Keywords: Laser welding, Design Of Experiment, regression modeling, analysis of variance, optimization