b (3842)

دانشکده مهندسي مکانيک
گروه ساخت و توليد
پايان 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 غلتشي فولادي……………………………………………………………………………………………………………..3
محدوديت‌هاي كاربردي ياتاقان‌هاي فولادي……………………………………………………………………………………….3
ياتاقان‌هاي غلتشي سراميكي…………………………………………………………………………………………………………..5
فصل دوم: پيشينه تحقيق………………………………………………………………………………………………………………………………………….8
فصل سوم: تئوري مطالب
پوليش‌كاري مغناطيسي شناور (MFP)………………………………………………………………………………………………17
پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي(CMP) ……………………………………………………………………………………………21
انتخاب ماده ساينده در پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي (CMP) سراميک Si3N4…………………………………….24
واکنش بين ذرات ساينده و قطعه‌کار………………………………………………………………………………………………..28
تاثير شرايط محيطي پوليش‌کاري……………………………………………………………………………………………………32
فصل چهارم: طراحي تجهيزات آزمايشات
مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………35
تجهيزات مکانيکي…………………………………………………………………………………………………………………………..35
محفظه آهن‌ربا……………………………………………………………………………………………………………………………36
اسپيندل……………………………………………………………………………………………………………………………………37
ديواره……………………………………………………………………………………………………………………………………….38
صفحه معلق……………………………………………………………………………………………………………………………….40
نوار لاستيکي……………………………………………………………………………………………………………………………..41
تجهيزات الکتريکي………………………………………………………………………………………………………………………….43
آهن‌رباي الکتريکي………………………………………………………………………………………………………………………43
قانون بيووساوار…………………………………………………………………………………………………………………………..44
ميدان مغناطيسي نزديک حلقه جريان……………………………………………………………………………………………..44
نقش هسته در آهن‌رباي الکتريکي…………………………………………………………………………………………………..50
طراحي آهن‌رباي الكتريكي…………………………………………………………………………………………………………….51
فصل پنجم : تهيه و ساخت تجهيزات
مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………56
آهن رباي الکتريکي…………………………………………………………………………………………………………………………56
ساچمه‌هاي سراميکي Si3N4 …………………………………………………………………………………………………………..59
فصل ششم : انجام آزمايشات
مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………….61
عوامل موثر در فرايند………………………………………………………………………………………………………………………61
پودر ساينده…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….61
سختي…………………………………………………………………………………………………………………………………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 کاربيد سيليکون (SiC)……………………………………………………………………………………………………………….67
2.3.1.2.6 کاربيد بور(B4C)……………………………………………………………………………………………………………………..69
3.3.1.2.6 اکسيد سريم CeO2 …………………………………………………………………………………………………………………71
سرعت چرخش اسپيندل……………………………………………………………………………………………………………….73
مدت زمان پوليش کاري……………………………………………………………………………………………………………….74
نيروي 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) شماتيکي 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 کلي آهن رباي الکتريکي همراه با کنترلر……………………………………………………………………………..53
شکل(10-4): نحوه پراکندگي خطوط ميدان در اطراف سيم پيچ …………………………………………………………………………….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 فيزيکي و مکانيکي SiC……………………………………………………………………………………………….68
جدول (2-6): خواص فيزيکي و مکانيکي B4C………………………………………………………………………………………………70
جدول (3-6): خواص فيزيکي و مکانيکي 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): تاثير انواع ذرات ساينده را روي صافي 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 مي‌باشد. 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 مي شويم.
ياتاقان‌هاي غلتشي 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 مي 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 معمولي 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 غلتشي 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 سراميکي هيبريدي 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 کوماندوري4 و مينگ جيانگ5 از دانشگاه اوکلاهاماي آمريکا اولين بار روشي جديد براي پوليش‌کاري ساچمه‌هاي نيترات سيليکون که در ساخت بلبرينگ‌هاي سراميکي کاربرد دارد ارائه دادند]2[.
روش رايج و متداول پوليش‌کاري ساچمه‌هاي سراميکي نيترات سيليکون به وسيله سنگ‌زني و لپينگ مي‌باشد]3[. در اين روش که سرعت پوليش‌کاري بسيار پايين و در نتيجه هزينه بالاي توليد ساچمه‌هاي فوق الذکر مقرون به صرفه نمي‌باشد. لذا با توجه به توسعه دامنه کاربرد ياتاقان‌هاي سراميکي صنعت روش جديدي مورد نياز بود. روشي که از طرف جيانگ و کوماندوري ارائه گرديد به نام پوليش‌کاري مغناطيسي شناور (MFP)6 معروف گرديد. در اين روش ساچمه‌هاي سراميکي درون محلولي از ذرات ساينده و ذرات اکسيد آهن پوليش‌کاري مي‌شود. کل محلول در داخل ميدان مغناطيسي قرار داشته و ساچمه‌ها به وسيله اسپيندلي در محلول چرخانده مي‌شوند. جيانگ و کوماندوري روش پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي (CPM)7 را به عنوان روشي مکمل براي روش ابداعي خود معرفي نمودند. در اين روش مکانيزم براده برداري همانند روش پوليش‌کاري مغناطيسي شناور بوده با اين تفاوت که علاوه بر استفاده از مکانيزم مکانيکي جهت براده‌برداري، از خاصيت شيميايي قطعه‌کار استفاده شده و به کمک عوامل موجود در آزمايش محصولات جديدي روي قطعه‌کار توليد شده که جدا شدن ذرات براده از روي قطعه‌کار را تسهيل مي‌بخشد.
در سال 1997 مينگ جيانگ و کوماندوري به کمک يکي از روش‌هاي بهينه سازي، شرايط مطلوب و بهينه‌اي براي پارامترهاي پوليش‌کاري مغناطيسي شناور تعيين نمودند . آنها براي آزمايشات بهينه‌سازي تنها به سه پارامتر اکتفا نمودند. پارامترهاي مورد آزمايش توسط آنها عبارتند بودند از نيروي پوليش‌کاري، درصد اختلاط ذرات ساينده در محلول و سرعت پوليش‌کاري. نتايجي که آنها بدست آوردند نشان دهنده آن است که نيروي بالاي پوليش‌کاري و درصد کمتر اختلاط ذرات ساينده در محلول براي بهبود پارامترهاي خروجي صافي سطح و تلرانس هندسي گردي مناسب مي‌باشند]4[.
در سال 1998 تحقيقاتي توسط مينگ جيانگ، نلسون وود8و کوماندوري در باره کارکرد موثر انواع ذرات ساينده در پروسه پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي قطعات نيترات سيليکون انجام گرديد. افراد فوق‌الذکر جهت انجام آزمايشات خود از ذرات ساينده متعددي بهره جستند که از آن جمله مي‌توان به بورن کاربايد، سيليکون کاربايد، اکسيد آلومينيم، اکسيد کروم، اکسيد زيرکونيوم، اکسيد سيليکون، اکسيد سريم ، اکسيد مس و اکسيد موليبدن اشاره نمود. ذرات ساينده شمرده شده از جهت تاثير نسبي هر کدام در پروسه پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي که در ادامه پروسه ‌ پوليش‌کاري مغناطيسي شناور انجام مي‌شود مورد بررسي قرار گرفتند. پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي بستگي به تاثيرات همزمان و مطلوب خواص شيميايي و مکانيکي ذرات ساينده و محيط نسبت به قطعه کار دارد. از ميان ذرات ساينده مورد استفاده در آزمايش اکسيد سريم و اکسيد زيرکونيوم بهترين نتايج را کسب نمودند. آناليز ترموديناميکي که توسط محققان انجام پذيرفت (انرژي آزاد گيبس) تشکيل لايه‌ شيميايي واسطه روي قطعه‌کار، نشان دهنده آن است که امکان تشکيل لايه شيميايي و واسطه SiO2 توسط ذرات ساينده اکسيد سريم و اکسيد زيرکونيوم راحت‌تر مي‌باشد. پارامتر ديگري که توسط گروه کوماندوري انجام گرفت درباره محلول مورد استفاده در پروسه ‌ شيميايي-مکانيکي مي‌باشد. آنها دو محلول آب و روغن پايه هيدروکربني را مورد آزمايش قرار دادند. نتايج کسب شده نشان دهنده آن است که محلول آب اثرات خوبي را در طول فرآيند از خود نشان مي‌دهد که نسبت به محلول روغن پايه هيدروکربني بسيار مناسب‌تر مي‌باشد. محلول روغني بر عکس محلول آب باعث کندي در فرآيند و حتي باعث توقف آن مي‌شود. بدين ترتيب که با پوشاندن سطح قطعه‌کار مانع از تشکيل لايه واسطه شيميايي مي‌شود]5[.
در سال 2002 يواان9 به همراه دوستان خود تحقيقاتي در جهت مقايسه نتايج استفاده از ذرات ساينده متعدد در فرآيند‌ پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي انجام دادند. علاوه بر اين، آنها همچنين در مطالعات خود به مقايسه دو نوع مکانيسم براده‌‌ براداري در دو روش مرسوم و نوين پوليش‌کاري ساچمه‌هاي سراميکي نيترات سيليکون پرداختند. روش مرسوم که همان روش لپينگ 10و روش نوين پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي مي‌باشند. آنها در آزمايشات خود به اين نتيجه رسيدند که اکسيد زيرکونيوم و اکسيد سريم مناسب‌ترين انتخاب براي پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي ساچمه‌هاي نيترات سيليکوني مي‌باشند. پارامتر ديگري که توسط آنها مورد بررسي قرار گرفته شد تحقيق در باره ميزان بازه‌هاي زماني اضافه‌کردن ذرات ساينده جديد به محلول مورد استفاده مي‌باشد. با توجه به نتايج حاصله از تحقيقات آنها هر چه فاصله‌هاي زماني اضافه‌کردن ذرات ساينده به محلول کمتر گردد، ميزان تلرانس هندسي گردي و صافي سطح ساچمه‌هاي تحت آزمايش پيشرفت قابل توجهي از خود نشان مي دهند. نکته ديگري که آنها در اين پژوهش بدان اشاره کردند عبارت بود از اين که به استفاده از محلول آب در آزمايشات توصيه شده‌است. آب علاوه بر تسهيل واکنش بين قطعه‌کار و ذرات ساينده، به صورت مستقيم وارد واکنش شيميايي شده و باعث تسريع در امر تشکيل لايه شيميايي واسطه مي‌گردد. لذا استفاده از محلول‌هاي روغني پايه هيدروکربني توسط محققان توصيه نمي‌گردد]6[.
در سال 2005 کوماندوري به کمک محققان ديگر تجهيزات جديدي براي پوليش‌کاري مغناطيس شناور ساچمه‌هاي سراميکي نيترات سيليکون در ابعاد و حجم پوليش‌کاري بزرگتر ارائه دادند]7[. در تجهيزات معرفي شده قبلي حجم ساچمه‌هاي پوليش‌کاري خيلي کوچک و در حد آزمايشگاهي بوده است. تجهيزات ارائه شده قابليت پوليش‌کاري حداقل 46 ساچمه 4/3 اينچي را دارا مي‌باشد. تفاوت‌هايي که در مکانيسم کارکرد اين تجهيزات در مقايسه با تجهيزات پيشين وجود دارد مي‌توان به مکانيسم اعمال نيروي لازم به ساچمه‌ها، ايجاد شيار در اسپيندل و اصلاح اسپيندل در طول انجام آزمايش اشاره نمود. پروسه پوليش‌کاري به سه قسمت 1) مرحله خشن‌کاري 2)مرحله نيمه نهايي 3)مرحله نهايي تقسيم بندي مي‌شود.
طبق نتايج ارائه شده وجود شيار روي اسپيندل در هر مرحله نقش معيني ايفاء مي‌کند. در مرحله خشن‌کاري باعث افزايش نرخ براده‌برداري شده و در مرحله پوليش‌کاري نيمه نهايي باعث افزايش تلرانس هندسي گردي مي‌گردد. ولي در مرحله نهايي نبود آن باعث افزايش کرويت ساچمه‌ها مي‌شود. نکته جالب در روش ارائه شده اين است که براي اصلاح و يا حذف شيار موجود در اسپيندل براي مراحل خاص جهت بهبود پروسه، اسپيندل از دستگاه جدا نمي‌گردد. بدين صورت که ابزار خاصي جهت ماشينکاري خود اسپيندل و اصلاح آن روي دستگاه تعبيه گرديده‌است. عدم هم محوري اسپيندل با کله‌گي باعث ارتعاش اسپيندل شده و از آنجايي که جنس ساچمه‌ها از سراميک مي‌باشند باعث ايجاد ترک روي ساچمه‌ها مي‌شود. لذا کيفيت صافي سطح و تلرانس هندسي گردي بالا خواهد بود.
فصل سوم
تئوري مطالب
در اين فصل مطالبي در مورد تئوري دو روش پوليش‌کاري که مکمل يکديگرند ارائه مي‌گردد. پوليش‌کاري مغناطيسي شناور که روش پيشنياز براي پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي مي‌باشد به کمک مکانيزم براده براداري مکانيکي سطوح ساچمه‌هاي مورد نظر را تا حدي پوليش‌داده که مرحله نهايي پوليش‌کاري توسط روش پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي که مکانيزم براده برداري آن عمدتا شيميايي مي‌باشد انجام مي‌پذيرد.
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.
پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي (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 نهايي پوليش‌کاري بهتر است جنبه مکانيکي فرآيند براده‌برداري را به حداقل خود برسانيم تا کيفيت سطح مطلوبي حاصل گردد.
از آنجايي که قطعه‌کار مورد نظر ساچمه‌هاي سراميکي نيترات سيليكون مي‌باشد لذا ذرات ساينده مورد استفاده در اين روش بهتر است از لحاظ سختي نسبت به نيترات سيليکون در سطح پايينتري قرار داشته باشد. همچنين براي بالا بردن نرخ براده‌برداري انتخاب ذرات ساينده‌اي که ميزان واکنش‌پذيري با نيترات سيليکون بيشتر و از لحاظ زماني سريعتر از ساير ذرات ساينده باشد امري ضروري مي‌باشد.
بر اساس مطالعات انجام يافته]8[ پودر ساينده CeO2 جهت پوليش‌کاري Si3N4 پيشنهاد گرديده شده است. از آنجايي که سختي CeO2 کمتر از Si3N4 مي‌باشد لذا در مرحله نهايي پوليش‌کاري مشکلاتي از قبيل خراشيده شدن سطح ساچمه‌ها توسط ذرات ساينده به وجود نخواهد آمد. در ادامه، بحث مختصري در باره علل انتخاب ذرات ساينده CeO2 جهت پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي Si3N4 ارائه مي‌گردد:
انتخاب ماده ساينده در پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي (CMP) سراميک 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[.
سختيچگالي (g/cm2)ذرات سايندهKnoop (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) تاثير انواع ذرات ساينده را روي صافي سطح حاصله را در روش CMP نشان ميدهد.
نمودار(1-3): تاثير انواع ذرات ساينده را روي صافي سطح حاصله را در روش CMP. ]6[
واکنش بين ذرات ساينده و قطعه‌کار
CMP يک روش پوليش‌کاري است که از اصل واکنش جامد-جامد پيروي مي‌کند. اگر انرژي مکانيکي به محل تماس دو شئ يا ابزار و قطعه‌کار اعمال شود بيشتر انرژي به انرژي حرارتي تبديل مي‌شود و يک حالت دما و فشار بالا در محل تماس به وجود مي‌آورد. در چنين شرايطي تعادل اوليه از بين رفته و منجر به تغيير و تبديل عناصر به علت تغييرات فازي و تجزيه مواد مي‌شود. سرعت واکنش خيلي بالا است. يکي از علت‌هاي اين امر هم تاثير فزاينده فعال شدن فعاليت شيميايي به واسطه حرارت و صدمات سطحي که به وسيله تنش و کرنش به وجود آمدند مي‌باشد. در منطقه تماس قطعه‌کار و ذرات ساينده حتي اگر بار اعمالي کم باشد ولي فشار در نقطه تماس از استحکام مواد در همان چند نقطه تماس بيشتر است و چنين فشار بالايي براي شروع واکنش کافي خواهد بود. شکل(3-3) شماتيکي از منطقه تماس را در CMP نشان مي‌دهد.
شکل(3-3): شماتيکي از منطقه تماس را در CMP
واکنش جامد-جامد در اندک زماني در نقطه تماس تحت فشار بالا و حرارت توليد شده توسط اصطکاک اتفاق مي‌افتد که منجر به جدا شدن ذره‌اي در مقياس بسيار كوچك از روي قطعه‌کار مي‌شود. نکته اصلي روش CMP استفاده از ذرات نرمتري است که بتواند در واکنش جامد-جامد با قطعه‌کار شرکت نمايد. واکنش بين ذرات ساينده و قطعه‌کار (CeO2 و Si3N4) را مي‌توان به صورت خلاصه به شرح ذيل نشان داد]5[:
Si3N4 + CeO2 SiO2+CeO1.72 +CeO1.83 + Ce2O3 + N2 (g) (1-3)
همان طور که در معادله فوق آمده است امکان تشکيل انواع اکسيدهاي سريم در محصولات وجود دارد. مهمترين محصول واکنش که مورد نظر مي‌باشد SiO2 مي‌باشد. کل مراحل واکنش‌هاي شيميايي را مي‌توان به دو دسته ذيل تقسيم‌بندي نمود:
واکنش اکسايش به کاهش
واکنش تبادلي (تبادل هر دو يون کاتيون و آنيون)
Si SiO2 OR SiO42-(2-3)
N N3- , N2 (g) OR NH3 (g)(3-3)
سيال مورد استفاده در واکنشات مذکور آب مي‌باشد. آب پيوندهاي Si-O را شکسته و تبديل به Si-OH (پيوندهاي Si-O به صورت کامل، تر مي‌شوند) مي كند. Si(OH)4 که به مراتب در آب محلول‌تر است مي‌کند. از طرفي ديگر CeO2 به علت واکنش شيميايي و چسبيدن به سطح SiO2 باعث تسهيل در جدا شدن اين لايه محصول از روي قطعه‌کار مي‌شود.
علت اين واکنش را مي‌توان چنين توصيف کرد که انرزي آزاد تشکيل CeO2 کمتر از SiO2 مي‌باشد]6[. لذا CeO2 قادر به کاهش SiO2 و ايجاد پيوند با سطح آن مي‌باشد. اتصال بين ذره ساينده و سطح SiO2 نيروي برشي اعمالي ذره ساينده را که منجر به کنده‌شدن قسمتي از لايه محصول را از روي قطعه‌کار مي‌شود را افزايش مي‌دهد. بنابراين ذرات ساينده مثل CeO2 نرخ براده‌برداري بالايي نسبت به ذرات ساينده‌اي همچون الماس‌ها در اين اين روش از خود نشان مي‌دهد. ازچنين رفتاري به عنوان خاصيت دندان شيميايي 12هم ياد مي‌شود که الماس‌ها و کاربيدها از خود نشان نمي‌دهند. بيشترين دانسيته ذرات کنده‌شده در قسمت جلوتر مسير حرکت ذره ساينده و کمترين قسمت آن در پشت مسير مذکور اتفاق مي‌افتد. جدا شدن کامل زماني رخ مي‌دهد که تعدادي از Si(OH)4 هاي به وجود آمده روي سطح توسط مکانيسم‌هاي متفاوتي از قبيل حرکت توربلانس محلول، جذب به روي ذره ساينده و تشکيل کلوخه‌هاي SiO2معلق در محلول از روي قطعه‌کار جدا مي‌شوند.
تاثير شرايط محيطي پوليش‌کاري
طبق يافته‌هاي محققان يکي از موثرترين محلول‌هاي مورد استفاده در پروسه پوليش‌کاري شيميايي-مکانيکي آب مي‌باشد]8[. آب نه تنها باعث تسهيل در واکنش‌هاي شيميايي بين قطعه‌کار و ذرات ساينده مي‌شود بلکه مستقيما در واکنش شيميايي با Si3N4 شرکت مي‌کند (هيدروليز) که منجر به تشکيل SiO2 در روي قطعه‌کار مي‌شود.
Si3N4 +6H2O 3 SiO2 + 4NH3(4-3)
Si3N4 + 6H2O 3 SiO2 + 2N2 (g) + 6H2 (g) T>200 ?C (5-3)
محلول‌هاي پايه هيدروکربني مثل نفت براي CMP مناسب نمي‌باشند. فيلم روغني بين ذره ساينده و قطعه‌کار مانع هرگونه واکنش شيميايي شده و عملکرد CMP را مختل مي‌سازد.
در پروسه CMP نرخ پوليش‌کاري وابسته به اندازه دانه‌هاي ذرات ساينده نمي‌باشد بلکه به تعداد ذرات ساينده در واحد حجم محلول پوليش‌کاري بستگي دارد]8[. بدين ترتيب که در غلظت‌هاي بالاي ذرات ساينده، ذرات ريزتر مواد ساينده، نقاط تماس ذرات و قطعه‌کار را افزايش مي‌دهند در نتيجه نرخ پوليش‌کاري با توجه به افزايش سطح تماس بهبود مي‌يابد. در غلظت‌هاي کم تعداد ذرات در تماس با قطعه‌کار کمتر است که باعث کندتر شدن پروسه پوليش‌کاري مي‌شود. به طور معمول در پروسه CMP غلظت ذرات ساينده معمولا بين 3% الي 5% حجم وزني محلول را تشکيل مي‌دهند. اين محدوده غلظتي تا حدي که بتوان از اثرات برخورد ميان ذرات صرف نظر کرد مناسب مي‌باشد.
SiO2حاصله که روي ساچمه‌ها تشکيل مي‌شود يک لايه عايق در برابر پروسه CMP مي‌باشد لذا جداکردن اين لايه توسط عوامل سينيماتيکي براي ادامه پروسه امري ضروري مي‌باشد. واکنش‌هاي شيميايي در CMP زماني به طور پيوسته ادامه خواهد يافت که لايه‌هاي SiO2به طور مداوم و به کمک رفتارهاي مکانيکي از روي قطعه‌کار کنده شوند. در نتيجه لازم است که سختي مواد ساينده بزرگتر از سختي SiO2 باشند.
فصل 4
طراحي
تجهيزات آزمايشات
مقدمه
در اين فصل به طراحي تجهيزات مورد نياز براي انجام پوليش‌کاري ساچمه‌ها پرداخته خواهد شد. با توجه به مطالب ارائه شده در فصول قبلي مي‌توان طراحي‌هاي لازم را به دو دسته کلي زير تقسيم‌بندي نمود:
تجهيزات مکانيکي
تجهيزات الکتريکي
تجهيزات مکانيکي
تجهيزات مکانيکي مورد نظر شامل:
محفظه آهن‌ربا
اسپيندل
ديواره
صفحه معلق
نوار لاستيکي
محفظه آهن‌ربا
اندازه ابعادي اين محفظه کاملا بستگي به ابعاد آهن‌رباي مورد استفاده دارد. با توجه به طراحي آهن‌رباي الکتريکي در ادامه ارائه خواهد شد طراحي اين محفظه انجام مي‌شود. با توجه به اينکه آهن‌رباي الکتريکي در داخل اين محفظه قرار مي‌گيرد لذا تلفات ميدان مغناطيسي ناشي از اين محفظه بايد تا حد امکان مينيمم گردد و آلومينيم يکي از مناسبترين گزينه‌ها براي اين منظور مي‌باشد. ضخامت ديواره‌ها و مخصوصا قسمت فوقاني محفظه بايد کمترين حد ممکن باشند. براي نگه داشتن محکم آهن‌ربا در داخل محفظه درپوشي براي اين منظور لازم مي‌باشد. جنس اين درپوش از جنس محفظه مي‌باشد. اين درپوش به کمک چهار عدد پيچ به قسمت تحتاني محفظه بسته مي‌شود. محفظه‌ آهن‌رباي الکتريکي بدين سان که در شکل(1-4) ارائه شده است طراحي گرديد:
الف)درپوش محفظه ب)محفظه
شکل(1-4): الف)درپوش محفظه، ب)محفظه
اسپيندل
اسپيندل يکي از قسمت‌هاي مهم مورد نياز مي‌باشد چرا که نيروي محرکه مورد نياز جهت پروسه پوليش‌کاري از طريق اسپيندل به ساچمه‌ها منقل مي‌گردد. از آنجايي که بخش بزرگي از اسپيندل در طول پروسه پوليش‌کاري درون محلول ساينده قرار مي‌گيرد لذا جنس اسپيندل از فولاد ضد زنگ در نظر گرفته شد. طراحي انجام يافته براي اسپيندل در شکل(2-4) ارائه گرديده شده است:
شکل(2-4): اسپيندل
ديواره
با توجه به نوع طراحي محفظه، براي نگهداري محلول ساينده و انجام پروسه پوليش‌کاري ديواره‌اي مورد نياز خواهد بود. به عبارت ديگر طراحي ديواره و قسمت فوقاني محفظه آهن‌رباي الکتريکي به صورت نر و ماده گي مي‌باشد. اين نوع طراحي براي به حداقل رساندن تلفات مغناطيسي در نظر گرفته شده است. براي سهولت در اجراي آزمايشات اين ديواره از جنس طلق در نظر گرفته شد. طراحي ديواره در شکل(3-4) ارائه گرديده شده است:
شکل(3-4): ديواره
صفحه معلق
براي اينک ساچمه‌ها درون محلول ساينده حرکت منظمي داشته و توسط اسپيندل حرکت داده شوند به صفحه معلقي درون محلول نياز مي‌باشد. از آنجايي که سبک بودن اين صفحه يک پارامتر بسيار مهم ممي‌باشد لذا نمي‌توان آن را از جنس فلزي انتخاب نمود. لدا اين صفحه از جنس اکريليک در نظر گرفته مي‌شود. ابعاد اين صفحه هم بستگي به ابعاد ديواره دارد. طراحي اين صفحه در شکل (4-4) ارائه گرديده شده است:
شکل(4-4): صفحه معلق اكريليكي
نوار لاستيکي
براي اينکه ساچمه‌ها بتوانند درون محلول چرخانده شوند بايد سه نقطه تماس داشته باشند. دو نقطه مورد نياز از طريق اسپيندل و صفحه معلق تامين مي‌گردد. جهت تامين نقطه سوم نياز به ديواره مي‌باشد. از آنجايي که ديواره از جنس طلق در نظر گرفته شده است براي جلوگيري از سايش ديواره يک نوار لاستيکي در قسمت پاييني ديواره و قسمت قرارگيري ساچمه‌ها چسبانده مي‌شود. شماتيکي از اين نوار لاستيکي در شکل زير ارائه گرديده شده است:
شکل(5-4): نوار لاستيكي
شماتيک کلي تجهيزات مکانيکي به صورت مجموعه مطابق شکل ذيل مي‌باشد:
شکل(6-4): مدل مونتاژ شده تجهيزات مكانيكي
تجهيزات الکتريکي
براي طراحي آهن‌رباي الکتريکي نخست مطالبي در خصوص آهن‌رباي الکتريکي و قوانين به كار رفته ارائه شده و سپس به محاسبات ]13[ مورد نياز اشاره مي‌گردد. در ادامه آهن‌رباي الکتريکي طراحي شده توسط توسط نرم افزار VIZIMAG مورد تحليل قرار گرفته و نتيجه ارائه ‌گرديده شده است.
آهن‌رباي الکتريکي
آهن‌رباي الکتريکي به آهن‌ربايي اطلاق مي‌گردد که در آن ميدان مغناطيسي توسط عبور جريان الکتريکي از يک سيم‌پيچ که معمولا داراي هسته آهني مي‌باشد حاصل گرديده شده باشد. با قطع جريان الکتريکي ميدان مغناطيسي نيز تقريبا از بين مي‌رود. قدرت ميدان مغناطيسي با مقدار جريان الکتريکي عبوري از آن رابطه مستقيم دارد.

قانون بيووساوار13
براي نخستين بار اورستد وجود ميدان مغناطيسي اطراف سيم حامل جريان الکتريکي را کشف نمود. بعدها بيوت14 و ساوارت15 اين رابطه را به صورت کمي بيان کردند که به قانون بيووساوار مشهور گرديد. قانون بيووساوار عبارت است از رابطه ديفرانسيلي بين جريان و ميدان مغناطيسي. اين قانون را مي‌توان براي حالت‌هاي مختلف محاسبه کرد که با توجه به روابط مورد نياز ذيلا محاسبه ميدان مغناطيسي نزديک حلقه جريان و تعميم آن به سيم پيچ ارائه مي‌گردد.
ميدان مغناطيسي نزديک حلقه جريان
جرياني به شدت I از سيم حلقوي که در شکل (7-4) نشان داده شده است عبور مي‌کند.
شکل(7-4): ميدان ناشي از عبور جريان از سيم حلقوي
ميدان مغناطيسي ناشي از عبور از سيم حلقوي در نقطه P توسط قانون بيووساوار به صورت زير
محاسبه مي‌گردد جدول (1-6):
dB= ?_0/4? (I(dS) ? × r ?)/r^2 (1-4)

B ?= ?I??_0/4? ??((dS) ? ×r ?)/r^2 (2-4)
0µ عبارت است از ضريب نفوذ مغناطيسي هواي 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 مي‌باشد.
جهت محاسبه ميدان در روي محور سيم حلقوي به شکل زير عمل مي‌نماييم:
بردار ديفرانسيلي ميدان، dB، را همانند شکل فوق مي‌توان در دو جهت عمود و موازي محور z تجزيه نمود. به لحاظ قرينه در فضاي انتگرال‌گيري روي سيم حلقوي ميدان حاصله از انتگرال‌گيري در مسير حلقوي فقط در جهت z وجود خواهد داشت.
(3-4) |”B” ? |”=” |”B” “K” ? |”=B=” ???”d” “B” _”Z” ? “=” ???”dB.” “cos” ?”?” ?
زاويه در طول مسير انتگرال‌گيري ثابت بوده و عبارت است از :
(4-4) cos??= R/r
و از آنجايي که بردار واحدr به المان جريان IdS عمود است لذا خواهيم داشت:
(5-4) |I(dS) ? ×r ? |=IdS
با اعمال موارد فوق در قانون بيووساوار خواهيم داشت:
(6-4) B= ???dB. cos?? ?= ?_0/4? ??|I(dS) ? ×r ? |/r^2 R/r=?IR/4? ??dS/r^3
همان گونه که مي‌دانيم ميدان روي محور z مورد نظر مي‌باشد لذا:
(7-4) B=?IR/4? ??dS/r^3 =(?_0 IR^2)/(2r^3 )=(?_0 IR^2)/(2?(Z^2+R^2)?^(3/2) )
آهن‌رباي الکتريکي در واقع نوعي سلنوئيد است. ميدان مغناطيسي حاصله از آهن‌رباي الکتريکي که در واقع مجموع ميدان‌هاي سيم‌هاي حلقوي است که دور يک هسته آهني پيچيده شده‌اند. اين ميدان در محور طولي سيم‌پيچ تقريبا يکنواخت مي‌باشد ولي در اطراف محور شرايط پيچيده خواهد بود. جهت سادگي محاسبه ميدان در محور طولي سيم‌پيچ شرايطي را در نظر گرفته خواهد شد..
قطر سيم مورد استفاده در سيم‌پيچ نسبت به