فصل اول: مقدمه1.1 مقدمه........22.1 ياتاقان‌هاي غلتشی فولادي.....31.2.1 محدوديت‌هاي كاربردي ياتاقان‌هاي فولادي.......33.1 ياتاقان‌هاي غلتشی سراميكي.....5فصل دوم:پيشينه تحقيق.....8فصل سوم:تئوري مطالب1.3 پوليش‌كاري مغناطيسي شناور (MFP).........172.3 پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی(CMP) .........................................................................................................211.2.3 انتخاب ماده ساینده در پولیش‌کاری شیمیایی-مکانیکی (CMP) سرامیک Si3N4...........................................242.2.3 واکنش بین ذرات ساینده و قطعه‌کار..............................................................................................................283.2.3 تاثیر شرایط محیطی پولیش‌کاری..................................................................................................................32 فصل چهارم: طراحيتجهيزات آزمايشات1.4 مقدمه...............................................................................................................................................................352.4 تجهیزات مکانیکی............................................................................................................................................351.2.4 محفظه آهن‌ربا.............................................................................................................................................362.2.4 اسپیندل......................................................................................................................................................373.2.4 دیواره..........................................................................................................................................................384.2.4 صفحه معلق.................................................................................................................................................405.2.4 نوار لاستیکی...............................................................................................................................................413.4 تجهیزات الکتریکی...........................................................................................................................................431.3.4 آهن‌ربای الکتریکی.......................................................................................................................................432.3.4 قانون بیووساوار............................................................................................................................................443.3.4 میدان مغناطیسی نزدیک حلقه جریان...........................................................................................................444.3.4 نقش هسته در آهن‌ربای الکتریکی.................................................................................................................505.3.4 طراحي آهن‌رباي الكتريكي............................................................................................................................51 فصل پنجم : تهیه و ساخت تجهیزات1.5 مقدمه...............................................................................................................................................................562.5 آهن ربای الکتریکی..........................................................................................................................................563.5 ساچمه‌های سرامیکی Si3N4..........................................................................................................................59 فصل ششم : انجام آزمايشات1.6 مقدمه.............................................................................................................................................................612.6 عوامل موثر در فرايند.......................................................................................................................................611.2.6 پودر ساینده.........................................................................................................................................................................611.1.2.6 سختی...................................................................................................................................................621.1.1.2.6 آزمونسختيالاستيك: (سختيبرگشتياانعكاس )..........................................................................................632.1.1.2.6 آزمونسختيخراش : (مقاومتدربرابربرشياس.............................................................................................633.1.1.2.6 آزمونسختيفرورفتگي : (مقاومتدربرابرفرورفتگي).........................................................................................632.1.2.6 اندازه ذرات..............................................................................................................................................663.1.2.6 جنس ذرات.............................................................................................................................................671.3.1.2.6 کاربید سیلیکون (SiC)...............................................................................................................................672.3.1.2.6 کاربید بور(B4C)......................................................................................................................................693.3.1.2.6 اکسيد سريم CeO2.................................................................................................................................712.2.6 سرعت چرخش اسپیندل...............................................................................................................................733.2.6 مدت زمان پولیش کاری...............................................................................................................................744.2.6 نیروی وارد بر هر ساچمه...............................................................................................................................741.4.2.6 نحوه اعمال نيرو.......................................................................................................................................742.4.2.6 انتخاب مقادير نيروي اعمال شده.................................................................................................................753.4.2.6 نحوه اندازه گيري نيروي اعمال بر ساچمه ها..................................................................................................753.6 طراحي آزمايشات..............................................................................................................................................76فهرست مراجع...........................................................................................................................................................79فهرست اشكال:شكل (1-3) : جهت نيروي وارده بر جسم غير مغناطيسي.........................................................................................18شكل (2-3) : شماتيك روشMFP...........................................................................................................................19شکل(3-3) شماتیکی از منطقه تماس در CMP........................................................................................................29شکل(1-4): الف)درپوش محفظه، ب)محفظه..............................................................................................................37شکل(2-4): اسپيندل...................................................................................................................................................38شکل(3-4): ديواره........................................................................................................................................................39شکل(4-4): صفحه معلق اكريليكي..............................................................................................................................40شکل(5-4): نوار لاستيكي............................................................................................................................................41شکل(6-4): مدل مونتاژ شده تجهيزات مكانيكي..........................................................................................................42شکل(7-4): ميدان ناشي از عبور جريان از سيم حلقوي...............................................................................................45شکل(8-4): اندازه ابعادي سيم پيچ و هسته ................................................................................................................52شکل(9-4): طرح کلی آهن ربای الکتریکی همراه با کنترلر.........................................................................................53شکل(10-4): نحوه پراکندگی خطوط میدان در اطراف سیم پیچ ........................................................................................54شکل(1-5): آهن رباي الكتريكي همراه با ورودي جريان..............................................................................................56شکل(2-5): آهن رباي الكتريكي..................................................................................................................................57شکل(3-5): واحد كنترلر آهن رباي الكتريكي..............................................................................................................57شکل(4-5): مجموعه تجهيزات الكتريكي.....................................................................................................................58شکل(5-5): ساچمه هاي سراميكيSi3N4 ...................................................................................................................................59 فهرست جداول و نمودارها: فصل اولمقدمه1.1 مقدمهياتاقانهاي 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. 2.1 ياتاقان‌هاي غلتشی فولاديدر 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. 1.2.1 محدوديت‌هاي كاربردي ياتاقان‌هاي فولاديسرعتهاي بسيار بالاي دوراني مثل سرعت هاي دوران روتورهاي توربين گازي و اسپيندل‌هاي ماشين ابزارهاي با سرعت بالا[1] 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 بيروني[2] 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 MoS2استفاده 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. 3.1 ياتاقان‌هاي غلتشی سراميكي[3]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 درچنينياتاقانهايي 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 دومپيشينه تحقيق 1.2 در سال 1997 کوماندوری[4] و مینگ جیانگ[5] 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.