طراحی و ساخت ابزار ‌برش آلتراسونیک برای برش کامپوزیت‌های پایه پلیمری

ویژگی‌هایی نظیر خواص مکانیکی عالی، مقاومت به حرارت بالا، مقاومت در برابر خوردگی و چگالی کم، باعث شده که کامپوزیت‌هایی نظیر الیاف کربن در صنایع مختلف مانند پزشکی، هوافضا و خودروسازی کاربرد فراوانی داشته باشند. با این‌ حال، به دلیل خصوصیت‌هایی نظیر هدایت حرارتی ضعیف، کیفیت پایین سطح برش و استحکام زیاد، برش آن‌ها با روش‌های مرسوم به‌سختی امکان‌پذیر است. هدف از انجام این پروژه، طراحی و ساخت نوعی ابزار برش با کمک امواج ‌آلتراسونیک است که باعث کاهش نیروی برش و افزایش کیفیت سطح برش قطعه‌کار از جنس الیاف کربن می‌شود. در این تحقیق به طور خاص به طراحی و ساخت قسمت هورن ابزار برش پرداخته شده است. ابتدا با انجام محاسبات تحلیلی، هورن پله‌ای طراحی‌ شده و در ادامه با افزودن قسمت مخروطی با زوایای مختلف به آن، اثر تغییر زاویه بر روی تقویت دامنه، فاصله مودال و توزیع تنش توسط روش شبیه‌سازی عددی بررسی ‌شده است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی عددی نشان ‌دهنده تاثیر ناچیز تغییر زاویه قسمت مخروطی بر روی آن‌ها می‌باشد. در نهایت نمونه بهینه از طراحی ساخته ‌شده است. نتایج آزمایش‌های تجربی نشان می‌دهد که استفاده از امواج‌ آلتراسونیک اثر قابل ملاحظه‌ای در کاهش نیروی برش تا یک شانزدهم و بهبود قابل توجهی در کیفیت و مقدار مستقیم بودن لبه‌ی برش قطعه‌کار از جنس الیاف کربن نسبت به حالت بدون آلتراسونیک داشته است.

designing and manufacturing of the ultrasonic cutting tools for cutting of polymeric based composites

characteristics such as excellent mechanical properties, high heat resistance, corrosion resistance and low density have made composites like carbon fiber widely used in various industries including medical, aerospace and automotive. however, due to characteristics such as poor thermal conductivity, low cutting surface quality and high strength, it is difficult to cut it using conventional methods. the aim of this article is to design and build a type of cutting tool that uses ultrasonic waves to reduce the cutting force and improve the cutting surface quality of carbon fiber workpieces. in this research, the design and construction of the horn part of the cutting tool is specifically discussed. first, a stepped horn is designed by performing analytical calculations, and then by adding a conical part with different angles to it, the effect of changing the angle on the amplitude amplification, modal spacing and stress distribution has been investigated by finite element simulation method.the results of numerical simulation show the insignificant effect of changing the angle of the conical part on the result. finally, the optimized design is built.the results of experimental tests show that the use of ultrasonic waves has a significant effect in reducing the cutting force up to one-sixteenth and significantly improving the quality and straightness of the cutting edge of the carbon fiber workpiece compared to the case without ultrasonic assistance.