دانشکده مهندسی مکانیک
گروه ساخت و توليد
پایان نامه كارشناسي ارشد
بررسي چگونگي و بهينه سازي فرآيند پوليش‌كاري ساچمه‌هاي سراميكي Si3N4 به كار رفته در بلبرينگ به روش پوليش‌كاري به كمك ميدان مغناطيسي Magnetic Float Polishing
استاد راهنما :
جناب آقاي دكتر وحدتي
تنظيم كننده:
بهنام كريمي
8603954
زمستان 88
فهرست مطالب:
فصل اول: مقدمه
مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………2
ياتاقان‌هاي غلتشی فولادي……………………………………………………………………………………………………………..3
محدوديت‌هاي كاربردي ياتاقان‌هاي فولادي……………………………………………………………………………………….3
ياتاقان‌هاي غلتشی سراميكي…………………………………………………………………………………………………………..5
فصل دوم: پيشينه تحقيق………………………………………………………………………………………………………………………………………….8
فصل سوم: تئوري مطالب
پوليش‌كاري مغناطيسي شناور (MFP)………………………………………………………………………………………………17
پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی(CMP) ……………………………………………………………………………………………21
انتخاب ماده ساینده در پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی (CMP) سرامیک Si3N4…………………………………….24
واکنش بین ذرات ساینده و قطعه‌کار………………………………………………………………………………………………..28
تاثیر شرایط محیطی پولیش‌کاری……………………………………………………………………………………………………32
فصل چهارم: طراحي تجهيزات آزمايشات
مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………35
تجهیزات مکانیکی…………………………………………………………………………………………………………………………..35
محفظه آهن‌ربا……………………………………………………………………………………………………………………………36
اسپیندل……………………………………………………………………………………………………………………………………37
دیواره……………………………………………………………………………………………………………………………………….38
صفحه معلق……………………………………………………………………………………………………………………………….40
نوار لاستیکی……………………………………………………………………………………………………………………………..41
تجهیزات الکتریکی………………………………………………………………………………………………………………………….43
آهن‌ربای الکتریکی………………………………………………………………………………………………………………………43
قانون بیووساوار…………………………………………………………………………………………………………………………..44
میدان مغناطیسی نزدیک حلقه جریان……………………………………………………………………………………………..44
نقش هسته در آهن‌ربای الکتریکی…………………………………………………………………………………………………..50
طراحي آهن‌رباي الكتريكي…………………………………………………………………………………………………………….51
فصل پنجم : تهیه و ساخت تجهیزات
مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………56
آهن ربای الکتریکی…………………………………………………………………………………………………………………………56
ساچمه‌های سرامیکی Si3N4 …………………………………………………………………………………………………………..59
فصل ششم : انجام آزمايشات
مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………….61
عوامل موثر در فرايند………………………………………………………………………………………………………………………61
پودر ساینده…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….61
سختی…………………………………………………………………………………………………………………………………62
آزمون سختي الاستيك : (سختي برگشت يا انعكاس )………………………………………………………………………………63
2.1.1.2.6 آزمون سختي خراش : (مقاومت در برابر برش يا س…………………………………………………………………………………63
3.1.1.2.6 آزمون سختي فرورفتگي : (مقاومت در برابر فرورفتگي)……………………………………………………………………………..63
اندازه ذرات…………………………………………………………………………………………………………………………….66
جنس ذرات……………………………………………………………………………………………………………………………67
1.3.1.2.6 کاربید سیلیکون (SiC)……………………………………………………………………………………………………………….67
2.3.1.2.6 کاربید بور(B4C)……………………………………………………………………………………………………………………..69
3.3.1.2.6 اکسيد سريم CeO2 …………………………………………………………………………………………………………………71
سرعت چرخش اسپیندل……………………………………………………………………………………………………………….73
مدت زمان پولیش کاری……………………………………………………………………………………………………………….74
نیروی وارد بر هر ساچمه……………………………………………………………………………………………………………….74
نحوه اعمال نيرو………………………………………………………………………………………………………………………74
انتخاب مقادير نيروي اعمال شده…………………………………………………………………………………………………..75
نحوه اندازه گيري نيروي اعمال بر ساچمه ها……………………………………………………………………………………..75
3.6 طراحي آزمايشات…………………………………………………………………………………………………………………………….76
فهرست مراجع………………………………………………………………………………………………………………………………………..79
فهرست اشكال:
شكل (1-3) : جهت نيروي وارده بر جسم غير مغناطيسي ……………………………………………………………………………..18
شكل (2-3) : شماتيك روش MFP ……………………………………………………………………………………………………………19
شکل(3-3) شماتیکی از منطقه تماس در CMP …………………………………………………………………………………………..29
شکل(1-4): الف)درپوش محفظه، ب)محفظه………………………………………………………………………………………………..37
شکل(2-4): اسپيندل…………………………………………………………………………………………………………………………………38
شکل(3-4): ديواره……………………………………………………………………………………………………………………………………..39
شکل(4-4): صفحه معلق اكريليكي………………………………………………………………………………………………………………40
شکل(5-4): نوار لاستيكي…………………………………………………………………………………………………………………………..41
شکل(6-4): مدل مونتاژ شده تجهيزات مكانيكي…………………………………………………………………………………………….42
شکل(7-4): ميدان ناشي از عبور جريان از سيم حلقوي…………………………………………………………………………………..45
شکل(8-4): اندازه ابعادي سيم پيچ و هسته ………………………………………………………………………………………………….52
شکل(9-4): طرح کلی آهن ربای الکتریکی همراه با کنترلر……………………………………………………………………………..53
شکل(10-4): نحوه پراکندگی خطوط میدان در اطراف سیم پیچ …………………………………………………………………………….54
شکل(1-5): آهن رباي الكتريكي همراه با ورودي جريان………………………………………………………………………………….56
شکل(2-5): آهن رباي الكتريكي………………………………………………………………………………………………………………….57
شکل(3-5): واحد كنترلر آهن رباي الكتريكي………………………………………………………………………………………………..57
شکل(4-5): مجموعه تجهيزات الكتريكي………………………………………………………………………………………………………58
شکل(5-5): ساچمه هاي سراميكي Si3N4 …………………………………………………………………………………………………………………..59
فهرست جداول و نمودارها:
جدول (1-3): ذرات ساينده‌اي كه معمولا براي پوليش‌كاري Si3N4 استفاده مي‌شوند ………………………………………..25
جدول (1-6):خواص فیزیکی و مکانیکی SiC……………………………………………………………………………………………….68
جدول (2-6): خواص فیزیکی و مکانیکی B4C………………………………………………………………………………………………70
جدول (3-6): خواص فیزیکی و مکانیکی CeO2…………………………………………………………………………………………….72
جدول (4-6): ترتيب انجام آزمايشات طراحي شده توسط نرم افزار MINITAB………………………………………………..78
جدول (5-6): ترتيب انجام آزمايشات براي مراحل مختلف……………………………………………………………………………….79
نمودار(1-3): تاثیر انواع ذرات ساینده را روی صافی سطح حاصله را در روش CMP…………………………………………..27
فصل اول
مقدمه
مقدمه
ياتاقان‌هاي غلتشي سرعت بالا كاربردهاي زيادي در ماشين‌هاي دوراني دارند كه وظيفه آنها جدا كردن اجزاء چرخشي از قسمت‌هاي ثابت ماشين می‌باشد. در كاربردهاي ماشين ابزاري دقت و در ماشين‌هاي شيميائي مقاومت در برابر خوردگي ياتاقان‌ها از اهميت والايي برخوردار است. در تجهيزات هوا فضايي فاكتورهاي قابليت اطمينان و عمر بالاي ياتاقان‌ها و ساير اجزاء به كار رفته داراي اهميت زيادي هستند. با پيشرفت تكنولوژي در عرصه اكتشافات فضايي شرايطي و خصوصياتي كه ازياتاقان‌ها انتظار مي رود فراتر رفته و با شرايط كاري همچون خلاء بسيار بالا (6-10 Torr)، دماي بسيار بالا (c˚150- تا 230+)، عمر بالا (هم از لحاظ خستگي و هم از نظر سايشي كه معمولا 10 الي 15 سال بدون نياز به تعميرات) و نيروي اصطكاكي توليدي پايين مواجه می شویم.
ياتاقان‌هاي غلتشی فولادي
در حال حاضر اكثر ياتاقان‌هاي غلتشي براي مصارف عمومي و عادي از فولاد‌هاي پر كربن كه حاوي كروم بالا هستند و قابليت سختكاري دارند استفاده مي شوند. از اين گروه مي توان فولاد AISI 52100 را نام برد. براي مصارف هوا و فضائي ياتاقان‌ها را از VIMVAR (ذوب القايي در خلاء و ذوب دوباره به روش قوس الكتريكي در خلاء) فولاد ابزار M50 كه به علت دارا بودن عناصر آلياژي بالا و كم بودن مقدار اكسيژن داراي عمر خستگي و سايشي نسبتا زيادي مي باشند استفاده می شوند.
محدوديت‌هاي كاربردي ياتاقان‌هاي فولادي
سرعت‌هاي بسيار بالاي دوراني مثل سرعت هاي دوران روتورهاي توربين گازي و اسپيندل‌هاي ماشين ابزارهاي با سرعت بالا1 استفاده از ياتاقان‌هاي معمولی را دچار مشكل مي سازد. اين مشكل ناشي از وارد شدن نيروهاي گريز از مركز در محل تماس ساچمه ها با شيار راهنماي بيروني2 است. يكي از اثرات شديد چرخش با سرعت زياد اثر نيروهاي گريز از مركز وارده بر اجزاي چرخشي كه اين خود منجر به وارد شدن بارهاي اضافي به محل تماس شيارهاي راهنماي بيروني با اجزاء مي شود. شدت اين افزايش بار يك رابطه درجه دو با سرعت چرخشي و رابطه خطي با چگالي ساچمه‌ها دارد كه منجر به تغييرات در زواياي تماس در شيارهاي داخلي و خارجي مي شود. هر گونه اختلاف بين زواياي تماسي در شيارهاي ذكر شده باعث به وجود آمدن چرخش نسبي در اين نقاط تماسي شده كه لغزش يا سر خوردن ساچمه‌ها را در پي خواهد داشت. بيشترين سرعت لغزش در اين محل توسط پارامترهاي سرعت چرخش و منحني هرتزين (Hertzian ) در محل تماس بدست مي آيد]1[. در اثر چنين لغزشي حرارت توليد شده در ياتاقان هاي فلزي در سرعت‌هاي بالا چشمگير است. اگر مقدار لغزش زياد باشد پديده فرسايش نيز اتفاق مي افتد. تمامي اثرات ناشي از سرعت‌هاي دوراني زياد منجر به از كار افتادن ياتاقان‌هاي فولادي مي‌شوند. ياتاقان‌هاي فولادي معمولي در دماهاي بالاتر از c˚300 و ياتاقان‌هاي فولادي مخصوص در دماهاي بالاي c˚500 سختي خود را از دست مي‌دهند]1[. حتي از خاصيت مايعات روانكاري پيشرفته نيز در چنين دماهايي كاسته مي شود. در چنين دماهايي معمولا از روانكارهاي جامد مثل MoS2 استفاده مي‌شود. ولي تشكيل يك لايه كامل بين سطوح در تماس توسط اين روانكارها امكان پذير نمي‌باشد. چنين روانكارهايي نمي‌توانند در انتقال حرارت توليد شده در سطوح در تماس بر خلاف روانكارهاي مايع نقشي داشته باشند و اين خود باعث افزايش هر چه بيشتر دماي ياتاقان مي‌شود.
ياتاقان‌هاي غلتشی سراميكي3
با توجه به محدوديت هاي موجود در كاربرد ياتاقان‌هاي غلتشي، ياتاقان‌هاي سراميكي پيشنهاد گرديده شد. اين نوع ياتاقان‌ها كه در انواع مختلف تمام سراميكي و هيبريدي مي‌باشند مزاياي متعددي نسبت به نوع فولادي دارند. شرايطي كه براي ياتاقان‌هاي فولادي در قسمت قبلي توصيف شد براي ياتاقان‌هاي تمام سراميكي يا سرامیکی هیبریدی بهتر است. ياتاقان‌هاي سراميكي به علت دارا بودن چگالي كمتر در سرعت‌هاي دوراني بالا نيروي گريز از مركز توليدي كم بوده لذا مقدار تغييرات زواياي تماس كم بوده و لغزش كمتري رخ خواهد داد. حرارت توليد شده درچنين
ياتاقان‌هايي در حدود 30 الي 50 درصد كمتر از حرارت توليد شده در ياتاقان‌هاي فولادي در دوران‌هاي بالا خواهد بود]1[.
يكي ديگر از مزاياي استفاده از ياتاقان‌هاي سراميكي توانايي كاركرد آنها در محيط‌هايي با درجه حرارت بالاست. محيط‌هاي داغي همچون موتورهاي آدياباتيك و كاربرد‌هاي هوا و فضايي نيازمند ياتاقان‌هايي هستند كه در چنين دماهاي بالا خواص فيزيكي و مكانيكي خود را حفظ كنند. نيترات سديم يك ماده مقاوم در برابر ميكروسايش است و در حرارت و خلاءهاي زياد عملكرد بهتري از خود نشان مي‌دهد.
ضريب اصطكاك بين اجزاء سراميكي Si3N4 و Si3N4 در ياتاقان برابر 17/0 و بين اجزاء M50 و Si3N4 برابر 15/0 است. در حالي كه ضريب اصطكاك بين اجزايي از جنس M50 و M50 برابر 54/0 مي باشد]1[.
همان طور كه از مقايسه ضرايب اصطكاك فوق مشهود است مقدار اصطكاك در ياتاقان‌هاي تمام فولادي بسيار بيشتر از ياتاقان‌هاي تمام سراميكي يا سراميكي هيبريدي است. با اين وجود در كاربردهايي با دماي بالا براي جلوگيري از سايش روي شيارهاي راهنما روغنكاري جامد ياتاقان‌هاي سراميكي امري اجتناب ناپذير است. كم بودن ضريب اصطكاك در ياتاقان‌هاي سراميكي خود به خود باعث پايين بودن گشتاور شروع به كار اين‌گونه ياتاقان‌ها است.
علاوه بر موارد ذكر شده در ماشين‌تراش‌هاي دقيق يا ماشين‌هاي سنتر ياتاقان‌هاي سراميكي مي‌توانند جهت مكان‌دهي اسپيندل با صلبيت ياتاقاني بالا، دقت چرخشي زياد، مقدار افزايش دماي ياتاقان پايين و دوره زمان تعميراتي طولاني با حداقل عمليات نگهداري كم كه براي حفظ دقت ماشين ابزار لازم است استفاده شوند. به علت بالا بودن مقاومت به خوردگي مواد سراميكي از اين گونه مواد در صنايع شيميايي كه فاكتور مقاوم در برابر خوردگي از اهميت والايي برخوردار است استفاده مي‌شود.
فصل دوم
پيشينه تحقيق
در سال 1997 کوماندوری4 و مینگ جیانگ5 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)6 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)7 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 وود8و 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 یواان9 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 10و 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
تئوري 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.
پوليش‌كاري مغناطيسي شناور (MFP)
تكنيك پوليش‌كاري مغناطيسي شناور (MFP) بر اساس خاصيت رفتاري هيدروديناميكي – مغناطيسي سيال مغناطيسي كه قابليت شناور سازي مواد غير مغناطيسي را دارا مي‌باشد عمل مي‌كند(شكل1-3).
شكل (1-3) : جهت نيروي وارده بر جسم غير مغناطيسي
سيال مغناطيسي ( فروسيال هم ناميده مي‌شود ) عبارت است از مخلوط كلوئيدي ذرات بسيار ريز ( 100-150 آنگستروم ) فرومغناطيسي 11مثل ذرات مغناطيس شدهFe3O4 در يك سيال حامل مثل آب يا سيال هيدروكربني ( مثل نفت سفيد ). در مواردي كه سيال حامل آب باشد مقداري مواد
شيميايي جهت جلوگيري از توده‌اي شدن ذرات مغناطيسي در آب اضافه مي‌شود. شكل (2-3) تصويري از تجهيزات لازم را نشان مي‌دهد.
شكل (2-3) : شماتيك روش MFP

مجموعه‌اي از آهنرباهاي دائمي (Nd – Fe – B) به صورت متناوب S و N زير محفظه آلومينومي كه حاوي سيال مغناطيسي و ذرات ساينده (5-10 درصد حجمي) چيده شده است. زماني كه ميدان مغناطيسي اعمال مي‌شود ذرات Fe3O4 به سمت پايين، محلي كه ميدان مغناطيسي قوي‌تر است جذب مي‌شوند و ذرات غير مغناطيسي معلق در سيال يك نيروي شناوري به سمت بالا، محلي كه ميدان مغناطيسي ضعيف‌تر است اعمال مي‌كند. ذرات ساينده، ساچمه‌هاي سراميكي و صفحه شناور اكريليكي داخل محفظه اجزاء غير مغناطيسي هستند كه به وسيله نيروي شناوري داخل سيال شناور مي‌مانند. قسمت فوقاني كه به اسپيندل متصل است را به قدري پايين مي‌آيد كه تماسي سه نقطه‌اي براي ساچمه فراهم گردد. بدين صورت كه از سمت پايين به صفحه شناور، از سمت كناري به ديواره و از سمت بالا به قسمت فوقاني متصل به اسپيندل كه حركت چرخشي را تامين مي‌كند. علاوه بر موارد ذكر شده عمل پايين آمدن تا ارتفاع معيني ادامه پيدا مي‌كند يا به عبارت ديگر نيروي مشخصي به ساچمه‌ها اعمال شود. جهت اندازه‌گيري مقدار نيرو يك نيروسنج پيزوالكتريكي بين محفظه و ماشين‌ابزار تعبيه مي‌شود تا مقدار نيروي وارده را مشخص كند. ساچمه‌ها به وسيله ذرات ساينده و به كمك نيروي شناوري اعمالي از سوي سيال و چرخش اسپيندل پوليش‌كاري مي‌شوند. مقادير عيوب سطحي سطوح پوليش‌كاري‌اي كه با اين روش بدست ‌مي‌آيند به حداقل ممكن مي‌رسد چرا كه نيروي اعمالي بسيار كمتر (N 1)، ناشي از نيروي شناوري حاصل از ميدان مغناطيسي از طريق صفحه شناور به ساچمه‌ها وارد مي‌آيد. نقش اصلي صفحه شناور اكريليكي ايجاد فشار پوليش‌كاري يكنواخت‌تر و بزرگ‌تر مي‌باشد. جهت جلوگيري از ساييده شدن قسمت داخلي ديواره محفظه يك لايه لاستيكي اورتان چسبانده مي‌شود. قسمت بالاي محفظه كه به اسپيندل متصل است از جنس غيرمغناطيسي و فولاد ضدزنگ آستنيتي مي‌باشد.
پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی (CMP)
اساس پوليش‌كاري شيميايي-مكانيكي بر پايه خاصيت شيميايي و به كمك نيروي مكانيكي نا چيز مي‌باشد]5[. عملكرد اين روش بستگي به حضور شرايط مناسب پارامترهاي فشار و دما در منطقه تماسي پروسه پوليش كاري دارد. وجود شرايط مناسب منجر به تشكيل لايه واكنشي شيميايي به واسطه وجود ذرات ساينده، قطعه كار و محلول پوليش كاري مي شود. اين لايه تركيبي شيميايي بر روي قطعه كار كه همان ساچمه هاي سراميكي است تشكيل مي شود. سپس با اعمال نيروي بسيار كمي اين لايه از روي ساچمه ها جدا شده و سطح يكنواخت و صافي روي آن به جاي مي گذارد.
روش پوليش‌كاري شيميايي-مكانيكي نيازمند انتخاب صحيح و دقيق نوع ذرات ساينده و شرايط محيطي اعمالي بر قطعه كار مورد نظر مي باشد. پارامترهاي سينماتيكي و ترموديناميكي نقش بسيار مهمي بر روي ميزان واكنش‌هاي شيميايي انجام شده حين پروسه پوليش‌كاري دارد. زماني كه تمامي شرايط مهيا گردد لايه هاي شيميايي به وسيله واكنش هاي شيميايي به وجود مي‌آيند سپس به كمك نيروي مكانيكي اعمالي توسط مواد ساينده روي لايه‌ها، اين لايه‌ها از قطعه‌كار جدا مي‌شوند]5[. از آنجايي كه براده‌برداري به وسيله چنين مكانيسمي انجام مي ‌گيرد لذا نرخ براده‌برداري مستقل از ميزان سختي قطعه‌كار خواهد بود. به عبارت ديگر براده‌برداري به كمك مواد ساينده نرمتر از جنس قطعه‌كار امكان ‌پذير خواهد بود.‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ از نظر تئوري هر ماده ساينده‌اي كه تحت شرايط معين بتواند با قطعه‌كار وارد واكنش شيميايي شده و لايه‌هاي شيميايي مورد نظر را به وجود آورد مي‌توان از آن در روش پوليش‌كاري شيميايي-مكانيكي استفاده نمود .ولي از آنجايي كه برخي از ذرات ساينده از قطعه‌كار سخت‌تر مي باشند لذا حين پروسه پوليش‌كاري مي‌توانند اثرات مخربي روي سطح پوليش‌كاري مانند ايجاد خراش نمايند. بنابراين در شرايط خشن‌كاري كه نرخ بالاي براده‌برداري مد نظر مي‌باشد. استفاده از ذرات ساينده‌اي كه سخت‌تر از جنس قطعه‌كار هستند مي‌تواند رضايت‌بخش باشد ولي در مرحله نهايي پوليش‌كاري جهت اجتناب از خراش‌هاي ناخواسته روي قطعه‌كار بايد از ذرات ساينده با سختي نسبي كمتر 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 نيترات سيليكون 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:
انتخاب ماده ساینده در پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی (CMP) سرامیک Si3N4
ميزان تاثيرگذاري فرآيند پوليش‌كاري شيميايي-مكانيكي اساسا به شرايط پوليش‌كاري، واكنش‌پذيري بين قطعه‌كار و ذرات ساينده و شرايط محيطي مورد استفاده بستگي دارد. از آنجايي كه براده‌برداري به وسيله اين مكانيسم بستگي به پتانسيل شيميايي اجزاء تحت فرآيند بستگي دارد نه به سختي قطعه‌كار، لذا امكان براده‌برداري به وسيله ذرات ساينده‌اي كه سختي آنها كمتر از قطعه‌كار هستند امكان‌پذير مي‌باشد. از لحاظ تئوري هر نوع ذرات ساينده‌اي كه بتواند در شرايط خاص با قطعه‌كار وارد واكنش شود و محصول واكنش را توليد كند مي‌تواند در روش CMP مورد استفاده قرار گيرد. ولي در شرايطي كه ذرات ساينده مورد استفاده داراي سختي بيشتري نسبت به قطعه‌كار باشد قسمت براده‌برداري مكانيكي به قسمت براده‌برداري شيميايي غلبه مي‌كند و كيفيت سطح پوليش‌كاري را پايين مي‌آورد. بنابراين جهت انتخاب نوع ذرات ساينده مناسب دو شرط اصلي خواهيم
داشت:
امكان واكنش شيميايي بين قطعه‌كار و ذرات ساينده وجود داشته باشد.
سختي ذرات ساينده از قطعه‌كار كمتر باشد.
ذرات ساينده‌اي كه معمولا براي پوليش‌كاري Si3N4 استفاده مي‌شوند در جدول (1-3) آورده شده‌اند:
جدول (1-3): ذرات ساينده‌اي كه معمولا براي پوليش‌كاري Si3N4 استفاده مي‌شوند]6[.
سختیچگالی (g/cm2)ذرات سایندهKnoop (Kg/mm2)Mohs70001052/3الماس32003/952/2B4C25002/922/3SiC2150998/3Al2O318005/821/5Cr2O31200885/5ZrO28207-SiO2-613/7CeO2-624/5Fe2O37005/501/5Y2O32255/332/6CuO5/169/4Mo2O3
اين ذرات به دو گروه كاري پوليش‌كاري مكانيكي به طور مثال MFP و ديگري مكانيكي-شيميايي CMP تقسيم‌بندي مي‌شوند. اين تقسيم‌بندي بر اساس ميزان سختي‌ها نسبت به قطعه‌كار و قابليت برقراري واكنش شيميايي با قطعه‌كار در شرايط محيطي خاص مي‌باشد.
ذرات ساينده‌اي همچون الماس، كاربيد بور و كاربيد سيليكون كه سختي بالاتري نسبت به Si3N4 دارند براي پوليش‌كاري مكانيكي(MFP) با قابليت براده برداري زياد به كار مي‌روند. به وسيله چنين مكانيسمي قطر و هندسه قطعه‌كار به ابعاد نهايي و مورد نظر نزديك مي‌شود. ما بقي ذرات كه از لحاظ سختي نرمتر هستند مي‌توانند در CMP مورد استفاده قرار گيرند. طبق تحقيقات ]8[ CeO2 نسبت به ساير ذرات ساينده عملكرد بهتري در روش CMP از خود نشان داده است. دو عمل مهم در CMP به كمك ذرات ساينده CeO2 اتفاق مي‌افتد:
الف) ذرات ساينده مستقيما وارد واكنش شيميايي با قطعه‌كار (Si3N4) مي‌شود كه منجر به تشكيل لايه SiO2 روي قطعه‌كار مي‌شود.
ب) سختي CeO2 به سختي لايه SiO2 تشكيل يافته نزديك است ولي از سختي Si3N4 خيلي كمتر است(در حدود 3/1 سختي Si3N4). بنابراين Si3N4 به سختي توسط CeO2 مي‌تواند خراش پيدا كند ولي لايه SiO2 توسط رفتار مكانيكي CeO2 مي‌تواند از روي قطعه‌كار جدا گردد.
نمودار (1-3) تاثیر انواع ذرات ساینده را روی صافی سطح حاصله را در روش CMP نشان میدهد.
نمودار(1-3): تاثیر انواع ذرات ساینده را روی صافی سطح حاصله را در روش CMP. ]6[
واکنش بین ذرات ساینده و قطعه‌کار
CMP یک روش پولیش‌کاری است که از اصل واکنش جامد-جامد پیروی می‌کند. اگر انرژی مکانیکی به محل تماس دو شئ یا ابزار و قطعه‌کار اعمال شود بیشتر انرژی به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود و یک حالت دما و فشار بالا در محل تماس به وجود می‌آورد. در چنین شرایطی تعادل اولیه از بین رفته و منجر به تغییر و تبدیل عناصر به علت تغییرات فازی و تجزیه مواد می‌شود. سرعت واکنش خیلی بالا است. یکی از علت‌های این امر هم تاثیر فزاینده فعال شدن فعالیت شیمیایی به واسطه حرارت و صدمات سطحی که به وسیله تنش و کرنش به وجود آمدند می‌باشد. در منطقه تماس قطعه‌کار و ذرات ساینده حتی اگر بار اعمالی کم باشد ولی فشار در نقطه تماس از استحکام مواد در همان چند نقطه تماس بیشتر است و چنین فشار بالایی برای شروع واکنش کافی خواهد بود. شکل(3-3) شماتیکی از منطقه تماس را در CMP نشان می‌دهد.
شکل(3-3): شماتیکی از منطقه تماس را در CMP
واکنش جامد-جامد در اندک زمانی در نقطه تماس تحت فشار بالا و حرارت تولید شده توسط اصطکاک اتفاق می‌افتد که منجر به جدا شدن ذره‌ای در مقیاس بسيار كوچك از روی قطعه‌کار می‌شود. نکته اصلی روش CMP استفاده از ذرات نرمتری است که بتواند در واکنش جامد-جامد با قطعه‌کار شرکت نماید. واکنش بین ذرات ساینده و قطعه‌کار (CeO2 و Si3N4) را می‌توان به صورت خلاصه به شرح ذیل نشان داد]5[:
Si3N4 + CeO2 SiO2+CeO1.72 +CeO1.83 + Ce2O3 + N2 (g) (1-3)
همان طور که در معادله فوق آمده است امکان تشکیل انواع اکسیدهای سریم در محصولات وجود دارد. مهمترین محصول واکنش که مورد نظر می‌باشد SiO2 می‌باشد. کل مراحل واکنش‌های شیمیایی را می‌توان به دو دسته ذیل تقسیم‌بندی نمود:
واکنش اکسایش به کاهش
واکنش تبادلی (تبادل هر دو یون کاتیون و آنیون)
Si SiO2 OR SiO42-(2-3)
N N3- , N2 (g) OR NH3 (g)(3-3)
سیال مورد استفاده در واکنشات مذکور آب می‌باشد. آب پیوندهای Si-O را شکسته و تبدیل به Si-OH (پیوندهای Si-O به صورت کامل، تر می‌شوند) مي كند. Si(OH)4 که به مراتب در آب محلول‌تر است می‌کند. از طرفی دیگر CeO2 به علت واکنش شیمیایی و چسبیدن به سطح SiO2 باعث تسهیل در جدا شدن این لایه محصول از روی قطعه‌کار می‌شود.
علت این واکنش را می‌توان چنین توصیف کرد که انرزی آزاد تشکیل CeO2 کمتر از SiO2 می‌باشد]6[. لذا CeO2 قادر به کاهش SiO2 و ایجاد پیوند با سطح آن می‌باشد. اتصال بین ذره ساینده و سطح SiO2 نیروی برشی اعمالی ذره ساینده را که منجر به کنده‌شدن قسمتی از لایه محصول را از روی قطعه‌کار می‌شود را افزایش می‌دهد. بنابراین ذرات ساینده مثل CeO2 نرخ براده‌برداری بالایی نسبت به ذرات ساینده‌ای همچون الماس‌ها در این این روش از خود نشان می‌دهد. ازچنین رفتاری به عنوان خاصیت دندان شیمیایی 12هم یاد می‌شود که الماس‌ها و کاربیدها از خود نشان نمی‌دهند. بیشترين دانسیته ذرات کنده‌شده در قسمت جلوتر مسیر حرکت ذره ساینده و کمترین قسمت آن در پشت مسیر مذکور اتفاق می‌افتد. جدا شدن کامل زمانی رخ می‌دهد که تعدادی از Si(OH)4 های به وجود آمده روی سطح توسط مکانیسم‌های متفاوتی از قبیل حرکت توربلانس محلول، جذب به روی ذره ساینده و تشکیل کلوخه‌های SiO2معلق در محلول از روی قطعه‌کار جدا می‌شوند.
تاثیر شرایط محیطی پولیش‌کاری
طبق یافته‌های محققان یکی از موثرترین محلول‌های مورد استفاده در پروسه پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی آب می‌باشد]8[. آب نه تنها باعث تسهیل در واکنش‌های شیمیایی بین قطعه‌کار و ذرات ساینده می‌شود بلکه مستقیما در واکنش شیمیایی با Si3N4 شرکت می‌کند (هیدرولیز) که منجر به تشکیل SiO2 در روی قطعه‌کار می‌شود.
Si3N4 +6H2O 3 SiO2 + 4NH3(4-3)
Si3N4 + 6H2O 3 SiO2 + 2N2 (g) + 6H2 (g) T>200 ºC (5-3)
محلول‌های پایه هیدروکربنی مثل نفت برای CMP مناسب نمی‌باشند. فیلم روغنی بین ذره ساینده و قطعه‌کار مانع هرگونه واکنش شیمیایی شده و عملکرد CMP را مختل می‌سازد.
در پروسه CMP نرخ پولیش‌کاری وابسته به اندازه دانه‌های ذرات ساینده نمی‌باشد بلکه به تعداد ذرات ساینده در واحد حجم محلول پولیش‌کاری بستگی دارد]8[. بدین ترتیب که در غلظت‌های بالای ذرات ساینده، ذرات ریزتر مواد ساینده، نقاط تماس ذرات و قطعه‌کار را افزایش می‌دهند در نتیجه نرخ پولیش‌کاری با توجه به افزایش سطح تماس بهبود می‌یابد. در غلظت‌های کم تعداد ذرات در تماس با قطعه‌کار کمتر است که باعث کندتر شدن پروسه پولیش‌کاری می‌شود. به طور معمول در پروسه CMP غلظت ذرات ساینده معمولا بین 3% الی 5% حجم وزنی محلول را تشکیل می‌دهند. این محدوده غلظتی تا حدی که بتوان از اثرات برخورد میان ذرات صرف نظر کرد مناسب می‌باشد.
SiO2حاصله که روی ساچمه‌ها تشکیل می‌شود یک لایه عایق در برابر پروسه CMP می‌باشد لذا جداکردن این لایه توسط عوامل سینیماتیکی برای ادامه پروسه امری ضروری می‌باشد. واکنش‌های شیمیایی در CMP زمانی به طور پیوسته ادامه خواهد یافت که لایه‌های SiO2به طور مداوم و به کمک رفتارهای مکانیکی از روی قطعه‌کار کنده شوند. در نتیجه لازم است که سختی مواد ساینده بزرگتر از سختی SiO2 باشند.
فصل 4
طراحي
تجهيزات آزمايشات
مقدمه
در این فصل به طراحی تجهیزات مورد نیاز برای انجام پولیش‌کاری ساچمه‌ها پرداخته خواهد شد. با توجه به مطالب ارائه شده در فصول قبلی می‌توان طراحی‌های لازم را به دو دسته کلی زیر تقسیم‌بندی نمود:
تجهیزات مکانیکی
تجهیزات الکتریکی
تجهیزات مکانیکی
تجهیزات مکانیکی مورد نظر شامل:
محفظه آهن‌ربا
اسپیندل
دیواره
صفحه معلق
نوار لاستیکی
محفظه آهن‌ربا
اندازه ابعادی این محفظه کاملا بستگی به ابعاد آهن‌ربای مورد استفاده دارد. با توجه به طراحی آهن‌ربای الکتریکی در ادامه ارائه خواهد شد طراحی این محفظه انجام می‌شود. با توجه به اینکه آهن‌ربای الکتریکی در داخل این محفظه قرار می‌گیرد لذا تلفات میدان مغناطیسی ناشی از این محفظه باید تا حد امکان مینیمم گردد و آلومینیم یکی از مناسبترین گزینه‌ها برای این منظور می‌باشد. ضخامت دیواره‌ها و مخصوصا قسمت فوقانی محفظه باید کمترین حد ممکن باشند. برای نگه داشتن محکم آهن‌ربا در داخل محفظه درپوشی برای این منظور لازم می‌باشد. جنس این درپوش از جنس محفظه می‌باشد. این درپوش به کمک چهار عدد پیچ به قسمت تحتانی محفظه بسته می‌شود. محفظه‌ آهن‌ربای الکتریکی بدین سان که در شکل(1-4) ارائه شده است طراحی گردید:
الف)درپوش محفظه ب)محفظه
شکل(1-4): الف)درپوش محفظه، ب)محفظه
اسپیندل
اسپیندل یکی از قسمت‌های مهم مورد نیاز می‌باشد چرا که نیروی محرکه مورد نیاز جهت پروسه پولیش‌کاری از طریق اسپیندل به ساچمه‌ها منقل می‌گردد. از آنجایی که بخش بزرگی از اسپیندل در طول پروسه پولیش‌کاری درون محلول ساینده قرار می‌گیرد لذا جنس اسپیندل از فولاد ضد زنگ در نظر گرفته شد. طراحی انجام یافته برای اسپیندل در شکل(2-4) ارائه گردیده شده است:
شکل(2-4): اسپيندل
دیواره
با توجه به نوع طراحي محفظه، برای نگهداری محلول ساینده و انجام پروسه پولیش‌کاری دیواره‌ای مورد نیاز خواهد بود. به عبارت دیگر طراحی دیواره و قسمت فوقانی محفظه آهن‌ربای الکتریکی به صورت نر و ماده گی می‌باشد. این نوع طراحی برای به حداقل رساندن تلفات مغناطیسی در نظر گرفته شده است. برای سهولت در اجرای آزمایشات این دیواره از جنس طلق در نظر گرفته شد. طراحی دیواره در شکل(3-4) ارائه گردیده شده است:
شکل(3-4): ديواره
صفحه معلق
برای اینک ساچمه‌ها درون محلول ساینده حرکت منظمی داشته و توسط اسپیندل حرکت داده شوند به صفحه معلقی درون محلول نیاز می‌باشد. از آنجایی که سبک بودن این صفحه یک پارامتر بسیار مهم ممی‌باشد لذا نمی‌توان آن را از جنس فلزی انتخاب نمود. لدا این صفحه از جنس اکريلیک در نظر گرفته می‌شود. ابعاد این صفحه هم بستگی به ابعاد دیواره دارد. طراحی این صفحه در شکل (4-4) ارائه گردیده شده است:
شکل(4-4): صفحه معلق اكريليكي
نوار لاستیکی
برای اینکه ساچمه‌ها بتوانند درون محلول چرخانده شوند باید سه نقطه تماس داشته باشند. دو نقطه مورد نیاز از طریق اسپیندل و صفحه معلق تامین می‌گردد. جهت تامین نقطه سوم نیاز به دیواره می‌باشد. از آنجایی که دیواره از جنس طلق در نظر گرفته شده است برای جلوگیری از سایش دیواره یک نوار لاستیکی در قسمت پایینی دیواره و قسمت قرارگیری ساچمه‌ها چسبانده می‌شود. شماتیکی از این نوار لاستیکی در شکل زیر ارائه گردیده شده است:
شکل(5-4): نوار لاستيكي
شماتیک کلی تجهیزات مکانیکی به صورت مجموعه مطابق شکل ذیل می‌باشد:
شکل(6-4): مدل مونتاژ شده تجهيزات مكانيكي
تجهیزات الکتریکی
برای طراحی آهن‌ربای الکتریکی نخست مطالبی در خصوص آهن‌ربای الکتریکی و قوانین به كار رفته ارائه شده و سپس به محاسبات ]13[ مورد نیاز اشاره می‌گردد. در ادامه آهن‌ربای الکتریکی طراحی شده توسط توسط نرم افزار VIZIMAG مورد تحليل قرار گرفته و نتيجه ارائه ‌گرديده شده است.
آهن‌ربای الکتریکی
آهن‌ربای الکتریکی به آهن‌ربایی اطلاق می‌گردد که در آن میدان مغناطیسی توسط عبور جریان الکتریکی از یک سیم‌پیچ که معمولا دارای هسته آهنی می‌باشد حاصل گرديده شده باشد. با قطع جریان الکتریکی میدان مغناطیسی نیز تقریبا از بین می‌رود. قدرت میدان مغناطیسی با مقدار جریان الکتریکی عبوری از آن رابطه مستقیم دارد.

قانون بیووساوار13
برای نخستین بار اورستد وجود میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان الکتریکی را کشف نمود. بعدها بیوت14 و ساوارت15 این رابطه را به صورت کمی بیان کردند که به قانون بیووساوار مشهور گردید. قانون بیووساوار عبارت است از رابطه دیفرانسیلی بین جریان و میدان مغناطیسی. این قانون را می‌توان برای حالت‌های مختلف محاسبه کرد که با توجه به روابط مورد نیاز ذیلا محاسبه میدان مغناطیسی نزدیک حلقه جریان و تعمیم آن به سیم پیچ ارائه می‌گردد.
میدان مغناطیسی نزدیک حلقه جریان
جریانی به شدت I از سیم حلقوی که در شکل (7-4) نشان داده شده است عبور می‌کند.
شکل(7-4): ميدان ناشي از عبور جريان از سيم حلقوي
میدان مغناطیسی ناشی از عبور از سیم حلقوی در نقطه P توسط قانون بیووساوار به صورت زیر
محاسبه می‌گردد جدول (1-6):
dB= μ_0/4π (I(dS) ⃗ × r ̂)/r^2 (1-4)

B ⃗= 〖Iμ〗_0/4π ∮▒((dS) ⃗ ×r ̂)/r^2 (2-4)
0µ عبارت است از ضریب نفوذ مغناطیسی هوای آزاد که مقدار آن برابر است با :
µ0 = 1.25664 x 10-6 T.m/A
در رابطه فوق r به صورت متر و واحد I آمپر می‌باشد.
جهت محاسبه میدان در روی محور سیم حلقوی به شکل زیر عمل می‌نماییم:
بردار دیفرانسیلی میدان، dB، را همانند شکل فوق می‌توان در دو جهت عمود و موازی محور z تجزیه نمود. به لحاظ قرینه در فضای انتگرال‌گیری روی سیم حلقوی میدان حاصله از انتگرال‌گیری در مسیر حلقوی فقط در جهت z وجود خواهد داشت.
(3-4) |”B”  ⃗ |”=” |”B” “K”  ̂ |”=B=” ∮▒〖”d” “B” _”Z” 〗 “=” ∮▒〖”dB.” “cos” ⁡”∝” 〗
زاویه در طول مسیر انتگرال‌گیری ثابت بوده و عبارت است از :
(4-4) cos⁡∝= R/r
و از آنجایی که بردار واحدr به المان جریان IdS عمود است لذا خواهیم داشت:
(5-4) |I(dS) ⃗ ×r ̂ |=IdS
با اعمال موارد فوق در قانون بیووساوار خواهیم داشت:
(6-4) B= ∮▒〖dB. cos⁡∝ 〗= μ_0/4π ∮▒|I(dS) ⃗ ×r ̂ |/r^2 R/r=μIR/4π ∮▒dS/r^3
همان گونه که می‌دانیم میدان روی محور z مورد نظر می‌باشد لذا:
(7-4) B=μIR/4π ∮▒dS/r^3 =(μ_0 IR^2)/(2r^3 )=(μ_0 IR^2)/(2〖(Z^2+R^2)〗^(3/2) )
آهن‌ربای الکتریکی در واقع نوعی سلنوئید است. میدان مغناطیسی حاصله از آهن‌ربای الکتریکی که در واقع مجموع میدان‌های سیم‌های حلقوی است که دور یک هسته آهنی پیچیده شده‌اند. این میدان در محور طولی سیم‌پیچ تقریبا یکنواخت می‌باشد ولی در اطراف محور شرایط پیچیده خواهد بود. جهت سادگی محاسبه میدان در محور طولی سیم‌پیچ شرایطی را در نظر گرفته خواهد شد..
قطر سیم مورد استفاده در سیم‌پیچ نسبت به قطر خود سیم‌پیچ باید بسیار کوچکتر باشد
تعداد دور سیم‌پیچ باید عددی بسیار بزرگ باشد.
مطابق شکل زیر سلنوئیدی به طول L در نظر گرفته می‌شود. با فرض اینکه N دور اطراف هسته پیچیده شده‌باشد چگالی حلقه‌های جریان در واحد طول N/L خواهد بود. بنابراین در واحد طول سیم‌پیچ، (N/L)dx حلقه جریان خواهد بود. مطابق فرمول. خواهیم داشت:
(8-4) dB=[(μ_0 Ia^2)/(2〖(a^2+x^2)〗^(2/3) )] N/L dx=(μ_0 IN)/L adx/(2〖(a^2+x^2)〗^(2/3) )
با تغییر متغیر x به پارامتر زاویه β خواهیم داشت:
(9-4) x = a cot⁡β
(10-4) R=a/sin⁡β
(11-4) dR=-adβ/〖〖(sin〗⁡β)〗^2
(12-4) R^2=a^2+x^2=a^2/〖〖(sin〗⁡〖β)〗〗^2
(13-4) dB=(μ_0 IN)/2L (-sin⁡β )dβ
میدان کل از انتگرال‌گیری در طول سیم‌پیچ بدست خواهدآمد لذا:
(14-4) B=(μ_0 IN)/2L ∫_(β_1)^(β_2)▒(-sin⁡β )dβ=(μ_0 IN)/2L(cos⁡〖β_2 〗-cos⁡〖β_1 〗)
میدان مغناطیسی در وسط سیم‌پیچ از β1 = π و β2 = 0 و در دو انتهای سیم‌پیچ از β1 = π/2 و β2 = 0 بدست می‌آید.
نقش هسته در آهن‌ربای الکتریکی
معمولا هر آهن‌ربای الکتریکی مشتمل بر یا سیم‌پیچ و یک هسته که در داخل سیم‌پیچ قرار می‌گیرد می‌باشد. هسته را معمولا از مواد فرومغناطیس همانند آهن انتخاب می‌کنند. هسته از نگاه میکروسکوپیک از آهن‌رباهای کوچکی که دوقطبی نامیده می‌شود تشکیل شده‌اند.هر یک از این دوقطبی‌ها شامل یک قطب N و یک قطب S می‌باشد. سو و جهت‌گیری این دوقطبی‌ها به صورت نامرتب و نامنظم می‌باشد و در کل این بی‌نظمی باعث خنثی شدن میدان‌های مخالف توسط یکدیگر می‌شود در نتیجه میدان کلی حاصله از میدان‌های ذاتی صفر خواهد بود. ولی زمانی که جریان الکتریکی به سیم‌پیچ وصل شود این دوقطبی‌ها با خطوط میدان داخل سیم‌پیچ همسو و همراستا می‌شوند در نتیجه باعث تقویت میدان میدان حاصله از سیم‌پیچ شده و میان مغناطیسی بزرگتری توسط آهن‌ربای الکتریکی ایجاد می‌گردد. هر چقدر جریان عبوری از سیم‌پیچ بزرگتر باشد میدان حاصله از سیم‌پیچ توانایی همراستایی بیشتر این دوقطبی‌ها را خواهد داشت که در نتیجه میدان مجموع نهایی هم قویتر خواهد بود. البته این افزایش میدان ناشی از افزایش جریان هم خطی نمی‌باشد. بدین معنا که با افزایش جریان الکتریکی از یک حد مشخص افزایش میدان ناچیزی خواهیم داشت. این پدیده را اشباع هسته می‌نامند. اشباع مغناطیسی زمانی رخ می‌دهد که درصد زیادی از دوقطبی‌های مغناطیسی با خطوط میدان داخل سیم‌پیچ همراستا گردیده باشند. به عبارت دیگر برای بالا بردن میدان مغناطیسی متاثر از وجود هسته توسط جریان دیگر دوقطبی‌هایی جهت همراستایی باقی نخواهد ماند. تاثیر هسته در محاسبات توسط تعیین می‌گردد. در حالتی که سیم‌پیچ فاقد هسته باشد از0µ که نشان دهنده ضریب نفوذ مغناطیسی هوا است استفاده می‌شود و زمانی که هسته به کار رفته‌باشد از µ که برای هر ماده تعریف و مشخص می‌گردد استفاده می‌شود.
طراحي آهن رباي الكتريكي
با توجه به مطالعات انجام یافته ]9[ آهن‌ربای الکتریکی مورد نیاز باید قدرتی در حدود 0.5 تا 1.5 تسلا داشته باشد. لذا به کمک محاسبات ساده و نرم افزار VISIMAG آهن‌ربایی با مشخصات ذیل طراحی گردید.
دستگاه مورد نظر داراي یک واحد سیم پیچ و یک مرکز کنترل می‌باشد. واحد سیم پیچ شامل هسته با مقطع دایره اي به قطرmm 50 وارتفاع mm 60 و یک سیم پیچ با سیم مسی به قطر mm 0.4 و تعداد دور، 9000 دور می‌باشد. وزن این واحد در حدود Kg 5/3 میباشد .
علاوه بر هسته و سیم پیچ واحد کنترلری نیز جهت تنظيم و قطع و وصل جریان سیم پیچ در نظر گرفته می‌شود. به منظور دستیابی به میدانهاي مغناطیسی مختلف، روي واحد کنترلر یک رئوستا تعبیه شده است. در صورتی که رئوستا در منتها الیه سمت چپ باشد، میدان مغناطیسی با توان 0,5 تسلا ایجاد میشود. در صورتی که رئوستا در وسط باشد، میدان مغناطیسی با توان تسلا ایجاد میشود. در صورتی که رئوستا در منتها الیه سمت راست باشد، میدان مغناطیسی با توان 1,5 تسلا ایجاد میشود.
شکل(8-4): اندازه ابعادي سيم پيچ و هسته
شکل(9-4): طرح کلی آهن ربای الکتریکی همراه با کنترلر
جهت درک بهتر از نحوه پراکندگی خطوط میدان مغناطیسی در اطراف آهن‌ربای الکتریکی مدلسازی توسط نرم افزار VISIMAG انجام گردید. این نرم افزار يك نرم افزار بسیار متداول در زمينه طراحي آهن‌رباي الكتريكي و ماشينهاي الكتريكي بوده و نیاز به اطلاعات پیچیده ندارد. شکل(10-4) نحوه پراکندگی میدان که توسط این نرم افزار استخراج شده است را نشان می‌دهد:
شکل(10-4): نحوه پراکندگی خطوط میدان در اطراف سیم پیچ
فصل 5
تهیه و ساخت تجهیزات آزمایشات
مقدمه
در این فصل به نحوه ساخت تجهیزات و تهیه مواد مورد نیاز پرداخته خواهد شد. ساخت این تجهیزات بر اساس طراحی های انجام یافته در فصل قبل خواهد بود.
آهن ربای الکتریکی
جهت ساخت آهن ربای الکتریکی در حدود 9000 دور سیم پیچ اطراف هسته آهنی مورد نیاز می‌باشد. این عمل توسط تجهیزات ساده سیم پیچی انجام گردید و کنترلر مورد نظر نیز تهیه گردید. در اشکال زیر آهن‌ربای الکتریکی ساخته شده با تمام متعلقات مورد نظر ارائه گردیده شده است:
شکل(1-5): آهن رباي الكتريكي همراه با ورودي جريان
شکل(2-5): آهن رباي الكتريكي

شکل(3-5): واحد كنترلر آهن رباي الكتريكي
شکل(4-5): مجموعه تجهيزات الكتريكي
ساچمه‌های سرامیکی Si3N4
ساچمه های سرامیکی که تحت پولیش‌کاری قرار خواهند گرفت به دلیل عدم وجود در بازار کنونی از کشور چین خريداري گرديد. این ساچمه‌ها از جنس نیترات سیلیکون بوده و دارای قطر اسمیmm 11 می‌باشند. جزئیات این ساچمه‌ها در فصل آزمایشات ارائه خواهد گردید. در شکل (5-5) ساچمه‌های مورد نظر نشان داده شده اند:
شکل(5-5): ساچمه هاي سراميكي Si3N4
فصل 6
انجام آزمایشات
مقدمه
قابليت اطمينان و عملكرد مطلوب ساچمه‌هاي سراميكي Si3N4 بستگي زيادي به كيفيت سطح آنها دارد. سراميك‌ها به طور ذاتي موادي ترد و شكننده و سخت هستند. و به همين دلايل نسبت به عيوبي كه حين پرداخت‌كاري و پوليش‌كاري روي ‌آنها ايجاد مي‌شود حساسيت زيادي دارند. پديده شكست ناشي از خستگي در مناطق ناهموار سطح مثل خراش‌ها، حفره‌ها و ترك‌هاي ريز اتفاق مي‌افتد]10[. بنابراين توليد سطحي با كيفيت بالا و با حداقل عيوب ناشي از پرداخت‌كاري از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. برای اطمینان از صحت انتخاب پارامترهای مورد آزمایش، نحوه انجام آزمایشات نیاز به بررسی و شناخت پارامترهای موثر در فرآیند می باشد. لذا در ادامه به معرفی و بررسی پارامترهای موثر پرداخته می شود:
عوامل موثر در فرايند
پودر ساینده:
جنس مواد ساينده، اندازه ذرات، و درصد مواد مورد استفاده در محلول، تاثیرات مستقیمی روی کیفیت سطح ساچمه ها دارد. با توجه به این حقیقت که در مراحل اولیه پولیش کاری عامل موثر در فرآیند براده برداری عامل مکانیکی می باشد، لذا عامل سختی پودر ساینده از اهمیت بالایی برخوردار است.
سختی:
به طور كلي معمولاً سختي حاكي از مقاومت در برابر تغيير شكل بوده و اين خاصيت در فلزات معياري از مقاومت آنها در برابر تغيير شكل مومسان يا دائم است. به طور كلي بسته به نحوه اجراي آزمايش سختي، مي توان آزمون هاي موجود را به سه دسته كلي تقسيم بندي نمود :
آزمون سختي الاستيك : Elastic Hardness Test (سختي برگشت يا انعكاس )
آزمون سختي خراش : Scratch Hardness Test (مقاومت در برابر برش يا سايش )
آزمون سختي فرورفتگي : Penetration Hardness Test (مقاومت در برابر فرورفتگي )
آزمون سختي الاستيك : Elastic Hardness Test (سختي برگشت يا انعكاس )
دراندازه گيري سختي به اين طريق، معمولاً ساچمه سختي از فاصله اي معين بر سطح فلز مورد آزمون مي افتد و با توجه به ارتفاع برگشت ساچمه كه خود نشانگر ميزان انرژي جذب شده توسط سطح فلزات است، سختي فلز تعيين مي شود.
آزمون سختي خراش : Scratch Hardness Test (مقاومت در برابر برش يا سايش )
اين روش آزمون از اولين روشهاي بررسي سختي اجسام مي باشد، كه توسط زمين شناس معروف، موس بنيان نهاده شده است. اين روش بر اساس رده بندي كانيهاي مختلف بر اساس توانائيهاي هر يك در ايجاد خراش بر روي ديگري است . عيب بزرگ اين روش حدودي بودن آن و عدم يكنواختي بين مقياسهاست .
آزمون سختي فرورفتگي : Penetration Hardness Test (مقاومت در برابر فرورفتگي )
اين آزمون و روش هاي مختلف آن از مهم ترين ابزارهاي مهندسي به شمار مي آيند. در اين آزمون كه به آزمون سختي نفوذ نيز موسوم مي باشد، ميزان سختي را بوسيله مقاومت جسم در مقابل فرورونده مي سنجند.
بطور كلي عدد سختي، عدد و ارزشي است كه در روشهاي مختلف اين آزمون بدست مي آيد و تا حدود زيادي با يكديگر و با “استحكام كششي نهايي فلزات” غير شكننده متناسب است.
در اين روشها با فروبردن يك فرورونده ( ساچمه، هرم يا مخروط هاي سخت فولادي ) و گودكردن جسم، سختي آن را از روي عمق فرورفتگي يا عرقچين حاصله اندازه گيري مي كنند.
چهار روش متداول براي انجام آزمايش سختي فرورفتگي يا سختي نفوذي وجود دارد كه عبارتند از :
الف – آزمون سختي برينل Brinell Hardness test
ب – آزمون سختي راكول Rockwell Hardness test
ج – آزمون سختي ويكرز Vickers Hardness test
الف – آزمون سختي برينل Brinell Hardness test
اين آزمون عبارتست از ايجاد فرورفتگي در سطح فلز به وسيله يك گلوله فولادي. عدد سختي برينل (BHN) بر حسب بار تقسيم بر مساحت داخلي فرورفتگي بيان مي شود.
ب – آزمون سختي راكول Rockwell Hardness test
متداولترين آزمون سختي آزمايش راكول است. دليل اين امر سرعت، عدم امكان



قیمت: تومان

دسته بندی : مقاله و پایان نامه

دیدگاهتان را بنویسید