مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بهینه‌سازی و مدل‌سازی برشکاری پلاسما فولاد ضد زنگ ۳۰۹AISI به کمک مدل ترکیبی شبکه عصبی- الگوریتم ژنتیک

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک، پردیس فنی و مهندسی، دانشگاه یزد، یزد، ایران
چکیده
در برش پلاسما، یک گاز نجیب با سرعت بالا از نازل دمیده می‌شود و به کمک یک جرقه فرکانسی ولتاژ بالا، گاز در سر مشعل یونیزه شده و قوس الکتریکی ایجاد می‌شود. سپس گاز به حالت پلاسما تبدیل می‌شود که فرآیندی ایده‌آل برای برشکاری فلزات سخت است. در این تحقیق، بهینه‌سازی و مطالعه اثر پارامترهای مؤثر در فرآیند برشکاری پلاسما فولاد ضدزنگ ۳۰۹AISI مورد بررسی قرار گرفت. با انجام آزمایش‌های تجربی، تأثیر پارامترهای ورودی شامل شدت جریان، فشار گاز و سرعت حرکت مشعل روی ۳ پارامتر خروجی شامل اندازه عرض برش، منطقه متأثر از حرارت و زبری سطح بررسی شد. تحلیل نتایج نشان داد که شدت جریان، سرعت پیشروی و فشار گاز به ترتیب بیشترین اثر را روی پارامترهای خروجی دارند. از شبکه عصبی مصنوعی (ANN) و الگوریتم ژنتیک برای پیش‌بینی و بهینه‌سازی پارامترهای خروجی استفاده شد. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد مدل شبکه عصبی دقت مناسبی برای پیش‌بینی پارامترهای خروجی دارد. بهینه‌سازی پارامترها برای دستیابی به بهترین شرایط برشکاری با استفاده از روش الگوریتم ژنتیک انجام گرفت. مدل شبکه عصبی به‌عنوان تابع هدف و زبری سطح، اندازه شکاف و منطقه متأثر از حرارت به‌عنوان ورودی الگوریتم ژنتیک معرفی شدند. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهند که ترکیب شبکه عصبی- الگوریتم ژنتیک یک روش کارآمد برای بهینه‌سازی فرآیند برشکاری پلاسما است. این روش می‌تواند برای دیگر فرآیندهای برشی پیشرفته نیز اصلاح و به کار گرفته شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Optimization and Modeling of Plasma Cutting of AISI 309 Stainless Steel by Using Neural Network-Genetic Algorithm Hybrid Model

نویسندگان English

M. Mirabdolahi 1
M.M. Abootorabi 2
1 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Yazd University, Yazd, Iran
چکیده English

In plasma cutting, a noble gas at high speed is blown from the nozzle and ionized with the help of a frequency spark at high voltage and an electric arc is created which cause the gas changes to the plasma state. Plasma cutting is an ideal process for cutting of the hard metals. In this research, the effect of the input parameters and their optimization in plasma cutting of AISI 309 stainless steel were studied. By conducting the different experimental tests, the effect of input parameters including amperage, gas pressure and the cutting speed of torch on the three output parameters of the width of cut (Kerf), heat-affected zone (HAZ) and surface roughness (Ra) were investigated. Analysis of the results showed that the amperage, cutting speed and gas pressure have the highest impact on the output parameters, respectively. The artificial neural network (ANN)-genetic algorithm was used to predict and optimize the output parameters. The results indicate that the artificial neural networks model trained by the genetic algorithm are able to predict the output parameters accurately. Finally, the optimization of output parameters to achieve the best cutting conditions was carried out using the genetic algorithm. The artificial neural network models were considered as the objective function and also, the parameters of the heat-affected zone, surface roughness, and the width of cut were introduced as inputs of the algorithm. According to results, a combination of the neural network and genetic algorithm is an efficient method for optimization of the plasma cutting process. This method can be easily modified and utilized for other advanced cutting methods.



کلیدواژه‌ها English

Plasma cutting
ANN
Kerf
HAZ
Ra
Adamovich I, Baalrud SD, Bogaerts A, Bruggeman PJ, Cappelli M, Colombo V, et al. The 2017 plasma roadmap: Low temperature plasma science and technology. Journal of Physics D Applied Physics. 2017;50(32):323001. [Link] [DOI:10.1088/1361-6463/aa76f5]
Bidajwala RC, Trivedi MA, Gajera HM, Raol TS. Parametric optimization on plasma arc cutting machine for AISI 1018. International Journal of Advance Engineering and Research Development. 2015;2(5):548-555. [Link] [DOI:10.21090/IJAERD.020577]
Bittencourt JA. Fundamentals of plasma physics. New York: Springer Science & Business Media; 2013. [Link]
Shi L, Song R, Tian X. Plasma beam radius compensation-integrated torch path planning for CNC pipe hole cutting with welding groove. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017;88(5-8):1971-1981. [Link] [DOI:10.1007/s00170-016-8915-7]
Das MK, Barman TK, Sahoo P, Kumar K. Process optimization in non-conventional processes: Experimentation with plasma arc cutting. In: Das R, Pradhan M, editors. Handbook of research on manufacturing process modeling and optimization strategies. Hershey PA: IGI Global; 2017. pp. 82-119. [Link] [DOI:10.4018/978-1-5225-2440-3.ch005]
Freton P, Gonzalez JJ, Gleizes A, Camy Peyret F, Caillibotte G, Delzenne M. Numerical and experimental study of a plasma cutting torch. Journal of Physics D Applied Physics. 2002;35(2):115. [Link] [DOI:10.1088/0022-3727/35/2/304]
Hoult AP, Pashby IR, Chan K. Fine plasma cutting of advanced aerospace materials. Journal of Materials Processing Technology. 1995;48(1-4):825-831. [Link] [DOI:10.1016/0924-0136(94)01727-I]
Ghorui S, Heberlein JVR, Pfender E. Non-equilibrium modelling of an oxygen-plasma cutting torch. Journal of Physics D Applied Physics. 2007;40(7):1966. [Link] [DOI:10.1088/0022-3727/40/7/020]
Gariboldi E, Previtali B. High tolerance plasma arc cutting of commercially pure titanium. Journal of Materials Processing Technology. 2005;160(1):77-89. [Link] [DOI:10.1016/j.jmatprotec.2004.04.366]
Matsuyama K. Current status of high tolerance plasma arc cutting in Japan. Welding in the World Le Soudage dans le Monde. 1997;39(4):165-171. [Link]
Ramakrishnan S, Shrinet V, Polivka FB, Kearney TN, Koltun P. Influence of gas composition on plasma arc cutting of mild steel. Journal of Physics D Applied Physics. 2000;33(18):2288. [Link] [DOI:10.1088/0022-3727/33/18/313]
Krajcarz D. Comparison metal water jet cutting with laser and plasma cutting. Procedia Engineering. 2014;69:838-843. [Link] [DOI:10.1016/j.proeng.2014.03.061]
Chen JC, Li Y, Cox RA. Taguchi-based Six Sigma approach to optimize plasma cutting process: An industrial case study. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2009;41(7-8):760-769. [Link] [DOI:10.1007/s00170-008-1526-1]
Radovanovic M, Madic M. Modeling the plasma arc cutting process using ANN. Nonconventional Technologies Review. 2011;4:43-48. [Link]
Ye W, Li Y, Wang F. Effects of nanocrystallization on the corrosion behavior of 309 stainless steel. Electrochimica Acta. 2006;51(21):4426-4432. [Link] [DOI:10.1016/j.electacta.2005.12.034]
Maity KP, Bagal DK. Effect of process parameters on cut quality of stainless steel of plasma arc cutting using hybrid approach. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015;78(1-4):161-175. [Link] [DOI:10.1007/s00170-014-6552-6]