عنوان مالکیت فکری: طراحی و ساخت میکرواسپیندل پر سرعت با یاتاقان هوا

خلاصه اختراع

با پيشرفت صنايع در حوزه هاي نانو و MEMS، نياز به ساخت ماشين هاي ابزار بسيار سريع كه قادر به ماشين كاري در ابعاد ميكرو هستند توسعه يافته است. ميكرو اسپيندل هاي فوق سريع جزء اساسي ماشين هاي ابزار پر سرعت هستند كه در صنايع مختلف نظير صنايع هوا فضا و صنايع الكترونيك كاربرد وسيعي يافته اند. اين ماشين ها به علت سرعت و دقت بالا، قادر به ايجاد ويژگي هايي نظير ماشين كاري ماشين كاري بسيار دقيق، ريز، با كيفيت بالا و با نرخ براده بر داري سريع مي باشند. اين نوع از انواع وسايل داراي ابعاد بسيار كوچكي در حد ميليمتر مي باشد. به علت كوچكي اين ابزار و قطر كم اسپيندل و ابزار،امكان توليد قطعات بسيار كوچك با اين وسيله وجود دارد. هدف از اين پروژه دست يابي به دانش فني طراحي و ساخت يك ميكرو اسپيندل فوق سريع با سرعت هايي در محدوده يكصد هزار دور بر دقيقه مي باشد. در اين راستا پس از تحقيقات انجام شده و بيالن سوابق موضوع در كشورهاي پيشرفته صنعتي، طراحي و ساخت ميكرو اسپيندل انجام پذيرفته است. گشتاور محركه ميكرو اسپيندل از طريق توربين هوا تامين مي شود و محور اسپيندل بر روي ياتاقان هوا تكيه دارد. هواي فشرده از طريق يك سري شبكه سوراخ هاي ريز در درون هوزينگ تامين مي گردد. طراحي ابعاد ياتاقان، سوراخ ها و توربين بر اساس تحليل جريان هوا بر اساس نرم افزار هاي ANSYS, FLUENT, SOLID WORK, MATLAB و AUTO DESK INVENTOR صورت پذيرفته است.

حوزه کاربرد (زمینه فنی)

این اختراع در حوزه مهندسی مکانیک و عمران و بخش ماشین کاری کاربرد دارد.

مشکل فنی موجود و هدف از این اختراع:

تلاش در جهت دست یابی به تکنولوژی ساخت میکرو ماشین ها در اواخر قرن بیستم به شدت افزایش یافت.به گونه ای که اولین انواع این ماشین ها در دهه نود میلادی ساخته شد.اولین دستگاه های ساخته شده دارای معایبی بودند.هم اکنون شرکت های بزرگ صنعتی به دنبال رفع این معایب و ساخت میکرو ماشین هایی کامل با امکاناتی نظیر قابلیت کنترل عددی و اندازه گیری نیرو های برش می باشند. این وسایل به عنوان میکرو ماشین های پر سرعت معروف می باشند و با ابعاد بسیار کوچک در حد میلیمتر خود قادر به تولید قطعات با دقت و سرعت بالا می باشند.در ابتدا این وسایل نیز دارای امکان کنترل پایینی بودند اما امروزه امکان نصب وسایل کنترلی و اعمال کنترل بر روی آن موجود است. مزیت دیگر این ماشین ابزار در امکان استفاده از این وسیله در ماشینینگ سنتر ها و تولید خودکار وسیله می باشد.به این صورت که به علت ابعاد کوچک این ماشین ها و وزن پایین آن ها می توان بدون احتیاج به فضا و تجهیزات چندان زیادی، از این وسایل در کنار یکدیگر استفاده نمود. از کاربردهای اصلی میکرو ماشین ها می توان به کاربرد آن ها در ساخت قطعات صنایع هوایی، الکترونیکی،MEMS، ترانزیستورها، سنسورها و غیره اشاره نمود.در تولید قطعات حساس نیاز به دقت بسیار بالایی وجود دارد که این خواسته به وسیله ی سرعت و کوچکی ابعاد ابزار در این وسایل برآورده می شود.همچنین به علت سادگی کار کردن با این وسیله نیاز به استفاده از نیروی کار ماهر کمتر می باشد.که در مجموع این عوامل در کم کردن هزینه تولید نقش به سزایی دارند. از جمله مشکلات ساخت این ماشین ها نیاز به دقت با در ساخت، صافی سطح بالا و تلرانس های بسته عددی و هندسی می باشند. در نتیجه ساخت این وسایل نیاز به دقت و هزینه های بالایی دارد.مشکل دیگر ایجاد سرعت های بالا دی این قطعات می باشد.دست یابی به سرعت های بالا (در اینجا 100000 دور بر دقیقه مد نظر می باشد) نیاز به یک نیروی محرک خاص و متفاوت از موتور های معمول الکتریک دارد.از سوی دیگر استفاده از یاتاقان های تماسی معمول در این سرعت ها امکان پذیر نمی باشد و باید چاره ای برای حل این دو مشکل اندیشید.به منظور حل این مشکل از نیروی محرک هوا و توربین جهت ایجاد حرکت و یاتاقان هوا به منظور تحمل نیروهای شعاعی و محوری استفاده می شود. انگیزه اصلی از انتخاب این موضوع را می توان در دستیابی به دانش فنی تولید میکرو اسپیندل ها می باشد و سعی می شود نحوه ی دستیابی به سرعت های بالا در این وسایل را شناسایی نمود.

ارایه راه حل برای مشکل فنی موجود همراه با شرح دقیق و کافی و یکپارچه اختراع

در این پروژه یک دستگاه میکرو اسپیندل پر سرعت هوا در مرحله اول طراحی شد و تحلیل های لازم شامل : تحلیل دینامیکی، تحلیل سیالاتی و تحلیل تنشی بر روی آن صورت پذیرفت.در مرحله ی بعدی طرح آماده شده ساخته شد.نمونه ی اول بنابر دلایل ذکر شده موفق به کار نشد.در نتیجه این نمونه مورد عیب یابی قرار گرفت.بر اساس اطلاعات به دست آمده از ساخت و عیب یابی نمونه اول، طرح دومی برای نمونه دوم تهیه شد.با استفاده از این طرح و اطلاعات ساخت، استراتژی کلی ساخت و روش انجام کار تبیین گشت. بر اساس طراحی انجام شده، مدل تهیه شد و تحلیل های لازم که شامل تحلیل های دینامیکی و تنشی بود بر روی آن صورت پذیرفت و صحت سنجی به عمل آمد. این تحلیل ها در به دست آوردن سرعت دورانی و همچنین در انتخاب جنس محور و یاتاقان بسیار مهم می باشند. سپس مدل به دست آمده ساخته شد. در ساخت دقت میکرونی و به دست آوردن تلرانس های بسیته بسیار مهم بود. اما به علت محقق نشدن تلرانس های هندسی از جمله هم محوری یاتاقان ها و افت شدید فشار هوا در شبکه انتقال هوا به سیستم، دستگاه کار نکرد. بر اساس اطلاعات به دست آمده از ساخت نمونه اول و شبیه سازی های سیالاتی انجام شده مدل دوم تهیه شد. از تغییرات این مدل می توان به اصلاح شبکه انتقال سیال به میکرو اسپیندل اشاره نمود. همچنین یک فرایند ساخت نیز تهیه شد. این فرایند به گونه ای دانش فنی ساخت میکرو اسپیندل های فوق سریع را در اختیار ما قرار می دهد. در مرحله بعدی طرح ثانویه بر ساس دانش فنی به دست آمده و به صورت یکپارچه ساخته شد. در انتها نمونه دوم مورد تست قرار گرفت و معایب آن نظیر لقی، شناسایی گشت. با رفع این معایب، این نمونه به درستی و با سرعت بسیار بالایی شروع به دوران نمود.