دانشنامه تخصصی مهندسی ایران

دانشنامه تخصصی مهندسی ایران

 engpedia   راه اندازی کانال تلگرام ( EngPedia_ir@ )

                همراه با مطالب ویژه سایت بصورت رایگان

  • نسخه ۱۲.۱ نرم افزار Aveva Marine در سایت قرار گرفت. (اینجا)
  • نسخه ۱۰.۵۲ نرم افزار Plus 2D در سایت قرار گرفت. (اینجا)
  • نسخه ۱۱.۰ نرم افزار AGI Systems Tool Kit-STK در سایت قرار گرفت.(اینجا)

همکاران

آنالیز المان محدود ماشین کاری متعامد با استفاده از هندسه های مختلف لبه ابزار

مدیریت مرداد ۲۴, ۱۳۹۲ 2929 بازدید ۰دیدگاه

 

آنالیز المان محدود ماشین کاری متعامد با استفاده از هندسه های مختلف لبه ابزار

 

یونگ چانگ ین ، آنوراگ جین، تایلن آلتان

مرکز تحقیقات مهندسی تولید دقیق (NSM) دانشگاه اهایو

 

چکیده:

این مقاله اثر آماده سازی لبه ابزار برنده ( لبه گرد ( هونینک شده ) و لبه یخ خورده ( T شکل ) ) بر تشکیل براده ، نیروهای ماشین کاری و متغیر های فرآیند ( دما ، تنش وکرنش ) در برش متعامد را با کمک روش المان محدود FEM مورد بررسی قرار می دهد. نتایج بدست آمده از این مطالعه درک اساسی از مکانیک فرآیند برش با دید واقع گرایانه نسبت به لبه ابزار برنده ایجاد می کند و ممکن است به بهینه سازی طراحی لبه برنده کمک کند شبیه سازی برش به صورت برش ترمو وسیکو پلاستیک لاگرانژی مربوط به فولاد ۲/۰ درصد کربن تا زمان رسیدن به سیلان پایدار براده و نیروی پایدار برش انجام می پذیرد. نیرویِ برشِ تخمین زده شده و هندسه های براده برای ابزار سنگ زنی شده با شعاع های لبه مختلف با نتایج تجربی بدست آمده از آزمایشات مقایسه شده است. دما و تنش های ابزار در لبه براده ابزار در حالی تخمین زده شده است که جریان مواد در نزدیکی شعاع لبه بوسیله محل نقطه جدایش مشخص می شود. مدلسازی فرآیند همراه با شبیه سازی مناسب که شامل کاربرد ابزار پخ زده با عرض ها و زاویه های مختلف پخ در ماشین کاری است انجام پذیرفته است.

 

کلمات کلیدی: آماده سازی لبه، ابزار برش، شبیه سازی المان محدود.

 

  1. مقدمه :

در ماشین کاری به تغییر هندسه لبه برنده آماده سازی لبه گفته می شود شکل ۱ سه نوع مهم طرح آماده سازی لبه که در بیشتر اینزرت های برش تجاری مورد استفاده است را نشان می دهد که عبارتند از:

  1. لبه تیز
  2. لبه گرد یا سنگ زده
  3. لبه پخ خورده (T شکل )

     

     

     

    هم چنین ابزار لبه پخ خورده به صورت ترکیبی با ابزار سنگ زده نیز موجود می باشد هدفِ آماده سازی لبه ، مقاوم سازی لبه برنده و ایجاد سطح مناسب جهت پوشش دهی به روش رسوبگیری است به علاوه لبه گرد باعث کاهش ایجاد و رشد ترک ها و شکافهای سطحی در حین ماشین کاری می شود و معمولاً در تیغه های برش نهایی مورد استفاده قرار می گیرد. لبه های پخ دار هنگامی که در برش مقدار بار براده زیاد (خشن کاری) و برش منقطع است استفاده می شود.

    طراحی هندسه لبه برنده وابسته به پارامترهای فرآیند همانند شکل مناطق تغییر شکل یافته و توزیع دمایی و تنش در سطح ابزار و نیرو های برش است این اثرات در تراشکاری باعث تغییر در سیلان براده و کیفیت سطح ماشین کاری شده (همانند تنش های پسماند ) مقاومت در برابر سایش ابزار و عمر ابزار (قابلیت ماشین کاری) می شود. این مقاله فرآیند برش را با توجه به اثرات لبه ابزار ( لبه گرد و پخ زده) و با کمک شبیه سازی به روش المان محدود (FEM ) بررسی می کند. هدف درک اصولی متغیر های فرآیند و مکانیک برش فلزات است که جهت بهینه سازی طراحی لبه ابزار موردنیاز است.

     

    1. پیش زمینه:

    بر اثر تاثیرات زیاد آماده سازی لبه بر فرآیند برش ، طراحی مناسب لبه برنده نقش مهمی را در کاربردهای نهایی فولادهای سخت کاری شده دارد و یک موضوع بسیار جذاب هم از لحاظ تجربی و هم از لحاظ تئوری می باشد. هودگسن و ترندلر(Hodgson and Trendler ) دریافتند که تست تراشکاری سنگین با ابزار CBN با لبه تیز و زاویه براده -۶° و زاویه تنظیم ۷۵° منجر به بهترین عملکرد برش و بهترین عمر ابزار در حین ماشین کاری ابزار فولادی ۶ D سخت کاری شده با هوا (HRC 62 ) می شود. برای کاربرد بالا پخ زدن لبه برنده (۰.۲ mm´۲۰° همرا با سنگ زنی ۲۰µm ) اثر منفی بر عمر ابزار در مقایسه با یک لبه برنده تیز نشان می دهد که بر اثر ایجاد شکاف سایشی عمیق در سطح آزاد است. در یک مطالعه مشابه انجام شده بوسیله کیشاوی و اِلبستاوی kishawy and elbwstawi نتایج تجربی نشان می دهند که برای یک ابزار لبه تیز شدت تنش های پسماند کششی در سطح ماشین کاری شده و عمق نفوذ لایه های تحت تنش با افزایش سرعت برش کاهش یافته است که روند برعکس برای ابزار لبه گرد وجود دارد.

    شینتانی shintani اثر هندسه ابزار بر عملکرد برش ابزار CBN در ماشین کاری فولاد سخت کاری و کربوده شده (۶۰۰-۷۲۰HV ) تحت شرایط برش پیوسته و منقطع را مورد بررسی قرار داد. بر اساس نتایج تجربی با در نظر گرفتن محدوده وسیعی از پارامترهای هندسه ابزار ، هندسه ابزار بهینه برای برش پیوسته مشخص می شود که باید دارای زاویه پخ -۳۵° و با عرضی بیشتر از طول تماس ابزار – براده (۰/۲mm) باشد و شعاع نوک ابزار۰/۸mm و لبه به صورت سنگ زده با شعاع mm 5 0/0 است.

    براساس آنالیز ANOVA (آنالیز واریانس analysis of variance ) برای فولاد AISI 52100 سخت کاری شده با ابزار اینزرتی Low-CBN ، تیلِه و مِلکوتِه (Thiele and Melkote) دریافتند که آماده سازی لبه اثر قابل توجهی بر سختی ماده و زبری سطح می گذارد. افزایش شعاع لبه سنگ زده موجب افزایش زبری متوسط سطح بر اثر افزایش نیروی شخم ploughing force می شود.

    ماتسوموتوmatsumoto اثر چهار طرح مختلف برای لبه برنده (تیز، سنگ زده ، پخ ساده و پخ دوتایی) بر تنش های پسماند در تراشکاری میله استوانه ای شکل را بررسی کرد و نتیجه گرفت در استفاده از ابزار سنگ خورده و ابزار پخ خوردۀ دوطرفه تنش پسماند در سطح ماشین کاری شده بسیار فشرده تر می شود و ناحیه تحت تاثیر آن به زیر لایه های عمیق تری می رسد.

    مانجوناتایا و اِندرس Manjunathaiah and Endres یک مدل برش متعامد را ارائه کرده اند که شامل اثر شعاع لبه به همراه آنالیز تعادل نیروها در مرز پایینی منطقه تغییر شکل اولیه است و نیروهای برش به عنوان تابعی از شعاع لبه و زاویه برش معرفی شده اند. در گزارش اخیر نویسنده اثر شعاع نوک ابزار را بر روی سایش سطح آزاد ابزار مورد بررسی قرار داده است. نتایج تجربی نشان می دهد که برای ابزار لبه تیز یک شعاع نوک ابزار متوسط وجود دارد که سایش سطح آزاد ابزار هم در لبه راهنما و هم در نوک ابزار مینیمم می کند. رِن و آلتینتاس ren and altintas یک مدل برش تحلیلی برای ابزار با لبه پخ خورده براساس مدل میدان خطوط لغزش اُکسلی برای ابزار های لبه تیز ارائه کرده اند آنها تصمیم گرفتند برای منیمم کردن انرژی برش در منطقه تغییر شکل تاثیرات زاویه پخ و شرایط برش را بر روی نیروهای برش و دما را مورد بررسی قرار دهند. مدل اکستروژن بر منطقه فلز مرده گوشه ها و در نزدیکی پخ اعمال گردید و با استفاده از نتایج اندازه گیری سایش ابزار و مدل ارائه شده زاویه پخ بهینه در حین ماشین کاری خشک فولاد P20 (34 HRC) با ابزار کاربایدی بدون پوشش در حدود -۱۵° بدست آمد.

    بیشتر تحقیقات امروزی بر روی مدلسازی المان محدود برش متعامد با توجه به فرض لبه برش کاملاً تیز انجام می شود و نیاز به یک معیار از قبل تعریف شده برای جدایش براده از قطعه کار در امتداد خط جدایش از قبل تعریف شده دارد. در سال های اخیر کوشش های بسیار زیادی برای توسعه تکنیک های مدلسازی FEM با ابزار غیر تیز انجام شده است. که نتیجه آن پیشرفت در زمینه توابع مش بندی مجدد تطبیقی و انرژی محاسبه شده بوده است.

    چن و نی Chen and Ni یک مدل برش متعامد برای برش با ابزار لبه کند شده (سنگ زده ) ارائه کرده اند ، مدل جریان مواد در نزدیکی لبه کند شده ( بدون ترک) در حین برش به صورت پیوسته در نظر گرفته شده است که مشخص می کند نقطه انفصال (stagnation point ) به نسبت ضخامت براده نتراشیده تقسیم بر شعاع لبه حساس نیست.

    کیم kim اثر شعاع لبه یک ابزار کار بیدی سمانته بر دما و نیروهای ماشین کاری و با استفاده از مدل برش المان محدود و توسط فرمولاسیون اویلری را مورد مطالعه قرار داد و نتایج را با نتایج تجربی مقایسه نمود. نتایج شبیه سازی نشان داد که با افزایش شعاع لبه ابزار توزیع دمایی ابزار تغییر کرده و موقعیت محل ما کزیمم دما به نوک ابزار نزدیک تر می شود. نتایج تجربی همچنین نشان داد که نیروی برش با افزایش شعاع لبه افزایش می یابد.

    شاتلا shatla شبیه سازی FEM بر اساس فرمولاسیون لاگرانژی را برای مطالعه تاثیر آماده سازی لبه (سنگ زده – پخ زده ) بر روی دمای ابزار و تنش در برش متعامد فولاد H13 (46 HRC ) به کار برد. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که تنش موثر ابزار هنگامی به مینیمم می رسد که یک شعاع لبه متوسط (mm 1/0) مورد استفاده قرار گیرد و استفاده از ابزار با شعاع لبه بزرگتر منجر به افزایش قابل توجه تنش در ابزار شده و موجب تمرکز تنش در نزدیکی سطح آزاد می شود که دلیل آن افزایش نیروی شخم (ploughing force) در مسیری عمود بر سطح ماشین کاری شده است. در همان مطالعه اثرات هندسه های مختلف پخ زنی بر روی دمای سطح آزاد و براده ابزار هم مورد بررسی قرار گرفته بود.

     

    1. هدف تحقیق :

    هدف کلی این تحقیق مطالعه هندسه لبه ابزار در شرایط فرآیند برش است که شکل گیری براده نیروهای برش و متغیرهای فرآیند (دما، تنش و کرنش ) را با استفاده از شبیه سازی المان محدود را بررسی می کند کارهای اصلی که انجام می پذیرد:

    1. مطالعه اثر شعاع سنگ زنی برای ابزار سنگ زنی شده و شکل براده، نیروهای برش ، دما و مقایسه نتایج با اطلاعات تجربی بدست آمده از آزمایشات تجربی
    2. بررسی اثر زاویه پخ و عرض پخ بر روی ابزار پخ خورده و شکل براده ، نیروی برش ، دما و تنش های ابزار در سطح تماس

     

     

     

    1. مدل المان محدود برای آنالیز برش متعامد:

    در مقاله کنونی شبیه سازی برش متعامد توسط کد تجاری deform 2D که بر اساس فرمولاسیون لاگرانژی بهبود یافته برای شبیه سازی تغییر شکل های پلاستیک بزرگ است انجام می گیرد که فرآیند شکل گیری براده به عنوان جریان پلاستیک مورد شبیه سازی قرار می گیرد و جدایش براده از قطعه کار بوسیله مش بندی مجدد و به شکل پیوسته قابل دست یابی است. تنایج تجربی نشان داده اند که شروع ترک در ناحیه جلوی نوک ابزار در حین برش حداقل در سطح میکروسکوپی به حداقل می رسد و در این ناحیه رشد هیچ ترکی مشاهده نشده است.

    بعد از هر مرحله مش بندی مجدد ، حل متغیرهای فرآیند بر روی قطعه کار با توجه به مش قدیمی و مش تغییر شکل نیافته جدید انجام می پذیرد.

     

  4. شبیه سازی برش پیوسته :

    برای دست یابی به جریان براده در حالت پایدار یک شبیه سازی برش ترمو ویسکو پلاستیک با کرنش سختی ایزوتروپیک قابل انجام است که توسط ماژول konti cat که توسط دانشگاه آچن آلمان معرفی شده است قابل انجام است .

    این ماژول اجازه شبیه سازی برش برای اجرا در زمان طولانی و کافی برش نسبت به شبیه سازی لاگرانژی را می دهد که در حالت لاگرانژی زمان چند میلی ثانیه است اصول ” konti cat” در زیر شرح داده می شود :

    در هر زمان یک مش بندی دوباره شروع می شود در روش ” konti cat” براده اضافی تشکیل شده دور از منطقه برش و قطعه کار ماشین کاری شده در نظر گرفته می شود که این کار را بوسیله تعریف پارامتر سطح کنترل توسط کاربر انجام می دهد ضمناً ماده جدید در مرز قسمت برش نخورده قطعه کار قرار می گیرد. با تکرار این روند شبیه سازی برش می تواند به صورت پیوسته و بدون هیچ محدودیت زمانی انجام پذیرد به علاوه شبیه سازی ” konti cat” مزایای زیر را دارد:

    1. از همگرایی ممکن و مسائل تماس هنگامی که براده های طویل به سمت پایین حرکت می کنند و سطح قطعه کار تراشکاری نشده را لمس می کند جلوگیری می کند.
    2. حل حالت پایای تقریبی جریان براده و متغیرهای حالت (دمای قطعه کار و دمای سطح تماس ابزار – براده) قابل دست یابی است.
    3. کنترل بهتر کیفیت مش قابل دست یابی است و المان کمتری مورد نیاز است.

    شکل ۲ یک نتیجه نوعی از شکل گیری براده به دست آمده از ” konti cat” را نمایش می دهد. جریان براده به شکل قابل ملاحظه ای بعد از ۱ms تغییر نمی کند یعنی ضخامت براده ، زاویه برش و شعاع حرکت براده ثابت باقی می ماند. همان طور که در شکل ۲ ملا حظه می کنید ماده پشت لبه برنده برداشته می شود زیرا براده سطح کنترل را ترک می کند.

     


     

    در حین شبیه سازی ” konti cat” دمای سطح تماس ابزار ، براده در گره های سطح ابزار به صورت پیوسته مورد بررسی قرار می گیرد تا مقادیر آنها بدون تغییر باقی بماند سپس حل حالت پایدار میدان دمای ابزار تقریب زده می شود که این کار به وسیله آنالیز انتقال حرارت خالص ابزار با مقادیر دمایی ثابت انجام می پذیرد.

     

  5. خواص مواد، قطعه کار و ابزار:

    جدول ۱ خواص حرارتی و مکانیکی قطعه کار و ابزار را به صورت خلاصه نشان می دهد. ابزار و قطعه کار به ترتیب کاربید سمانتیت بدون پوشش و فولاد ۰.۲ درصد کربن است ، مدل تنش سیلان ( تسلیم ) برای فولاد کربن ۰.۱۸ % به عنوان تابع از کرنش ، نرخ کرنش ودما از تست فشار در سرعت های بالا توسط Usui بدست آمده است که از این اطلاعات در این مقاله استفاده شده است اطلاعات بدست آمده با محدودیت های مشخص کرنش ، نرخ کرنش و دما در زیر آمده است :

     

    (۱)

    که


     

    که در آن تنش سیلان بر حسب MPa وT دما (۲۹۳-۹۷۰ K ) است و نرخ کرنش مؤثر و کرنش ۲ %– ۰۵ /۰ است.

     

    table

     

    مهم است که به محدوده کاربرد کرنش ، نرخ کرنش و دما در معادله ۱ بدست آمده توسط تست فشار ضربه ای توجه کنید. این اعداد در محدوده پایین نرخ کرنش های رخ داده در فرآیند های عملی برش هستند ، بنابراین برای بدست آوردن اطلاعات تنش سیلان ابتدا به سمت محدوده های بالاتر نرخ کرنش ، کرنش و دماهای فوق برون یابی می کنند و سپس اصلاحات انجام می شود تا مطمئن شویم که نیروهای تخمین زده شده با نتایج تجربی توافق مناسب دارند یا نه. بنابراین اطلاعات تنش سیلان بدست آمده از تست فشار بدون تغییر باقی می ماند اما بخشی که توسط برون یابی تنش سیلان بدست آمده است تعدیل می شود.

     

  6. شرایط مرزی و مدل اصطکاک:

    شکل ۳ شرایط مرزی حرارتی و جابه جایی اعمالی بر قطعه کار و ابزار را نشان می دهد. ابزار ثابت است و سرعت برش min / m 130 بر مرزهای قطعه کار C- B- A- G اعمال می شود مرزهای C-D-E-F-G یک سطح آزاد هستند و اجازه حرکت آزاد در حین فرآیند را دارند.

    منابع حرارتی که موجب افزایش دمای ناگهانی در حین برش می شوند عبارتند از :

  7. ایجاد حرارت در اثر تغییر شکل پلاستیک قطعه کار ( انرژی مکانیکی ) در مناطق تغییر شکل اولیه و ثانویه
  8. گرمای ایجاد شده در سطح تماس ابزار براده و ابزار قطعه کار بر اثر اصطکاک

     

     

     

    برای محاسبه انتقال حرارت فرض های زیر را انجام می دهیم :

    1. تماس ابزار براده از نوع کاملاً حرارتی است در نتیجه مقادیر بسیار بزرگی از ضریب انتقال حرارت جابه جایی (hint ) مورد استفاده قرار می گیرد.
    2. مرزهای قطعه کار و ابزار که دور از منطقه برش است در دمای اتاق ( T=20 °C ) باقی می ماند.
    3. برای سطوح آزاد در قطعه کار ، ابزار و براده افت حرارتی بر اثر کانوکشن ( جابه جایی) با فرض و تابش به محیط مورد توجه قرار می گیرد به هر حال مقدار آن کم و قابل صرف نظر است.

     

    بنابراین شرایط مرز گرمایی برای ابزار و قطعه کار به صورت زیر است:


     

     

     

    کهk ضریب هدایت حرارتی قطعه مورد نظر است و Tc دمای تماس قطعه روبرویی در سطح تماس ابزار براده و n بردار نرمال یکه بر سطوح مرزی است برای همه شبیه سازی های این مقاله مدل اصطکاکی ساده زیر مورد استفاده قرار گرفته است :

    (۳)

    که m فاکتور برش ثابت Kchip مقاومت تسلیم برشی المان های براده در نزدیکی سطح تماس ابزار براده است که برابر است با

    به منظور انتخاب مقدار مناسب m برای شبیه سازی ابزار با لبه گرد یک آزمایش حساسیت که در آن m از ۸/۰-۶/۰ تغییر می کرد انجام پذیرفت (تحت شرایط مشابه ) نتایج تخمین زده شده برای نیروی برش با مقادیر تجربی مقایسه شد و در جدول ۲ نشان داده شده است باید یادآوری کرد که هر دو جزء نیرویی با افزایش m افزایش می یابد در حالی که نیروی محوری به طور قابل ملاحظه ای کمتر از مقادیر تجربی است که در مورد آن بعداً بحث می شود. براساس این نتایج فاکتور برش اصطکاکی ۷/۰= m مورد استفاده قرار می گیرد .


  1.  

    برای شبیه سازی ابزار پخ خورده با زاویه براده منفی در اثر نبود نتایج تجربی۳/۰=m مورد استفاده قرار می گیرد تا شکل براده ایجاد شده در مقایسه با هنگامی که مقادیر بزرگتری از m مورد استفاده قرار می گیرد واقعی تر باشد برای مقادیر بالای m ( مثلاً۷/۰ = m ) چندین انباشتگی ماده در پشت براده و درسطح قطعه کار برش نیافته رخ می دهد که احتمالاً باعث اصطکاک بالا درسطح تماس ابزار – براده می شود.

     

  2. شرایط برش:

    جدول ۳ و جدول ۴ شرایط برش و هندسه ابزار مورد استفاده برای شبیه سازی ابزار سنگ زنی شده و ابزار پخ خورده را به ترتیب نمایش می دهد همان شرایط تجربی فوق مورد استفاده قرارگرفت هندسه ابزار برا ی ابزار با لبه برنده سنگ زده شده و ابزار با لبه پخ زده شده در شکل ۴ به صورت شماتیک آمده است.

     

     

     

    1. نتایج شبیه سازی برای ابزار با لبه سنگ خورده :
  3. نیروی برش و هندسه براده :

    شرایط شبیه سازی برای ابزار با لبه سنگ خورده در جدول ۳ آمده است شکل ۵ مقایسه بین نیروی برش تخمین زده شده با نتایج تجربی را نشان می دهد. اختلاف درنیروی های برش بین ۵-۱۲ % است به هرحال نیروی محوری تخمین زده شده ۱۳-۲۵ % کمتر از نیروی تجربی است یک استثناء برای ابزار با لبه تیز (mm1 0/0 =re) مشاهده شده است جایی که نیروی محوری به طور قابل توجهی کمتر از مقدار واقعی است همچنین از شکل ۵ (b) می توان دریافت که اختلاف در نیروی محوری با افزایش شعاع لبه ابزار به سرعت کاهش می یابد و به مقدار واقعی نزدیک می گردد.

     


     

    شکل (b) و(a) 5 نشان میدهند که هر دو جزء نیرو با افزایش شعاع لبه افزایش می یابند ظاهراً این کار بر اثر افزایش ناحیه برش است که نیازمند نیروهای بیشتری برای برش ماده است به علاوه کاهش زاویه برش و افزایش ضخامت براده موجب افزایش مساحت صفحه برش در منطقه تغییر شکل می شود که موجب افزایش نیروی برش می شود به عبارت دیگر افزایش منطقه تماس در نزدیکی نوک ابزار و افزایش نیروی شخم براثر شعاع لبه زیاد موجب افزایش انرژی مخصوص برش شده که به معنی افزایش نیروی برش است با استفاده از شکل ۵ مشاهده می شود که با افزایش ده برابری شعاع لبه (mm1/0 – ۱ ۰/۰) نیروی برش و نیروی محوری درحدود ۱۰-۱۵ % (براساس نتایج تجربی ) افزایش می یابد.

    اختلاف بین نیروی محوری تخمین زده شده و نیروی تجربی در شکل ۵ می تواند به دلایل زیر باشد:

  • بزرگی نسبی اندازه المان های قطعه کار و نوک ابزار هنگامی که شعاع ابزار خیلی کوچک است که خطاهای محاسباتی نیرو وابسته به شعاع ابزار به صورت قابل توجهی بوسیله مش بندی مجدد قابل رفع است.
  • خطای برون یابی تنش سیلان ماده در نرخ کرنش های بالا و دماهای بالا
  • مدل اصطکاکی ساده مورد استفاده برای سطح تماس ابزار براده

جدول ۵ مقادیر پیش بینی شده ضخامت براده و زاویه برش برای شعاع های ابزار مختلف را نشان می دهد مشاهده شده است که ضخامت براده با کاهش زاویه برش کمی افزایش می یابد (با افزایش شعاع لبه کمی افزایش می یابد)

 


 

از شعاع لبه بردمای سطح تماس ابزار براده:

شکل (a) 6 منحنی دمای حالت گذرا بر حسب زمان برای دو نقطه ۱ و۲ که درسطح براده ابزار تعریف شده اند را در طی شبیه سازی برش نشان می دهد در شکل ۶ (b) نتایج ماکزیمم دماهای ابزار و دمای میانگین سطح براده ابزاربدست آمده برای ابزارهای با شعاع های مختلف آمده است مقایسه دماها بعد از پیمودن فاصله mm 64/8 انجام شده است می توان مشاهده نمود که شدت ماکزیمم دمای ابزار در نزدیکی نوک ابزار (۶۵۰°C ) تقریباً به اندازه شعاع لبه حساس نیست و مقدار مینیمم آن به نظر می رسد که در شعاع لبه متوسط (mm5 0/0 =r) رخ می دهد ، همچنین مشاهده می شود که دمای متوسط سطح براده به صورت یکنواخت با شعاع لبه افزایش می یابد که به دلیل افزایش سطح تماس است. محل ماکزیمم دمای ابزار در حالت گذرا با مثلث در نمودار دمایی نشان داده شده است.

شکل ۷ توزیع کرنش تخمین زده شده برای ابزار با لبه سنگ خورده با شعاع های مختلف لبه را نشان می دهد می توان مشاهده نمود که درجه تغییر شکل پلاستیک در منطقه برش ثانویه و در سطح ماشین کاری شده (مثلاً خطوط منحنی چگالی کرنش ) به صورت قابل ملاحظه ای با افزایش شعاع لبه افزایش می یابد بنابراین گرمای بیشتری بر اثر کار پلاستیک در نزدیک نوک ابزار برای ابزار با شعاع سنگ زنی زیاد ایجاد می شود که این گرما به ابزار و یا براده انتقال داده می شود به عبارت دیگر گرمای تلف شده به آسانی بیشتری در یک سطح بزرگتری از ابزار با شعاع سنگ زنی زیاد توزیع می شود که به دلیل کاهش محدودیت های هندسی است ، این دو اثر مخالف باعث افزایش میانگین دمای قطعه و براده شده و توزیع بهتر بار حرارتی در یک ناحیه بزرگتری از لبه برنده را فراهم می کند.

 


 

این مورد می تواند وجود شعاع لبه سنگ زنی بهینه را توضیح دهد که در آن ابزار کمترین دما را داشته باشد ( شکل ۶ (b) ). افزایش دمای سطح براده در ابزار همراه با افزایش شعاع لبه به صورت مستقیم منجر به افزایش تغییر شکل پلاستیک در نزدیکی سطح تماس ابزار- براده است.

 

  1. توزیع تنش درسطح براده ابزار:

    شکل ۸ توزیع تنش نرمال وتنش برش در امتداد سطح براده در دو ابزار با لبه گرد با شعاع های لبه مختلف (mm 1 0/0 و ۱/۰) رانشان می دهد. مدل تنش ابزار در سطح براده به صورت کیفی در توافق خوبی با نتایج تجربی است تنش قائم و برشی نمایان کننده یک منطقه مسطح نزدیک نوک ابزار (به نام منطقه اصطکاک چسبان) است و سپس به صورت یکنواخت کاهش یافته تا به مقدار صفر در نقطه جدایش براده در سطح براده (منطقه اصطکاک لغزنده ) می رسد همچنین مشاهده شده است که شعاع لبه وابستگی قابل توجهی به شدت اجزاء تنش ندارد در حالی که طول مناطق چسبنده و لغزش برای دو ابزار به مقدار کمی متفاوت است.

     

     

     

     

    شکل ۸ توزیع تنش برشی و قائم تخمین زده شده در سطح براده ابزار با شعاع های مختلف لبه (mm 1/0 و ۰۱/۰=re)

    رابطه اصطکاک برشی معادله (۳) تنش برش تماسی (t) را به عنوان تابعی از تنش سیلان موضعی براده بیان می کند. بنابراین در به کار بردن رابطه اصطکاکی در محاسبات FEM ممکن است برای ارزیابی درستی مدل مقدار محاسبه شده از شکل ۸ (خروجی ) را با مقدار محاسبه شده از مدل تنش سیلان ماده (ورودی ) (معادله۱) مقایسه کنند. با توجه به مقدار تنش برشی ثابت مشاهده شده از شکل۸ (۳۷۵ MPa) و رابطه اصطکاک (معادله ۳ ) مقدار تقریباً برابر ۹۳۰ MPa بدست می آید ، از طرف دیگر بر مبنای مقدار میانگین دما ، کرنش و نرخ کرنش محاسبه شده برای منطقه برش ثانویه در براده و معادله ۱ مقدار تخمین زده می شود که برابر ۱۰۱۰ MPa می شود که مقادیر ورودی و خروجی در توافق خوبی با یکدیگر (اختلاف ۸ % ) است.

     

     

     نتایج شبیه سازی برای ابزار با لبه یخ خورده

  • اثر هندسه لبه پخ خورده بر نیروی برش

  1. شکل ۹ اثر زاویه پخ بر نیروی برش برای عرض های مختلف پخ (۱/۰ و mm 2/0) بدست آمده از شبیه سازی را نشان می دهد، به نظر می رسد که افزایش زاویه پخ اثر بیشتری بر نیروی برش وقتی که عرض پخ بزرگتر است دارد. به عبارت دیگر تغییر زاویه پخ اثر مهم تری بر نیروی محوری نسبت به نیروی برش می گذارد ، افزایش ۱۶-۳۰ % نیروی محوری زمانی بدست می آید که زاویه پخ از ۱۵ به ۲۵ درجه افزایش یابد در حالی که نیروی برش کمتر از ۱۰ % افزایش می یابد اثر زاویه پخ بر نیروی محوری می تواند به صورت افزایش سطح تماس موثر بین قطعه کار و ابزار نزدیک ناحیه پخ بر اثر افزایش زاویه پخ باشد (افزایش طول تصویر شده در جهت نیروی محوری).

     

     

     

     

     

  2. اثر هندسه لبه پخ بر دمای برش:

    شکل ۱۰ خطوط هم دمای حالت پایدار تخمین زده شده برای ابزار پخ خورده را نشان می دهد مشاهده شده است که شکل لبه پخ کمی دمای سطح تماس ابزار براده را تغییر می دهد ماکزیمم دما در سطح براده با افزایش عرض پخ و زاویه پخ افزایش می یابد و در محدوده قرار می گیرد به علاوه گسترش منطقه با دمای بالا نزدیک و یا درون ابزار که با خط K در نمودار نشان داده شده است عمیق تر نفوذ می کند در حالی که با افزایش زاویه و یا عرض پخ به سمت گوشه کوچکتر لبه پخ خورده (نوک ابزار ) حرکت می کند .

    در شکل ۱۰ موقعیت ماکزیمم دمای ابزار برای ابزار پخ خورده در گوشه پخ بالایی رخ می دهد (شکل ۱۰ازa تا c )ولی ماکزیمم دما در شکل d در گوشه پایینی پخ خورده رخ می دهد که در آن ابزار دارای عرض و زاویه پخ بزرگتری است هنگام مقایسه این روند به نتایج دمای حالت گذرا شکل ۶ و نتایج دمای حالت پایدار توجه کنید و یک مقایسه بین ابزار لبه گرد و ابزار با لبه پخ خورده در محل ماکزیمم دمای ابزار انجام دهید. به صورت کلی محل ما کزیمم دما برای ابزار گرد در سطح براده ابزار به سمت نوک ابزار جابه جا می شود که وابسته افزایش نسبت re/tu است یک ابزار پخ خورده با عرض پخ زیاد و زاویه پخ زیاد موجب اثری مشابه ابزار با لبه سنگ زده می شود و موجب شود که نقطه ماکزیمم دما به سمت نوک ابزار حرکت کند .

    نتایج فوق برای ابزار پخ زده نیاز به بررسی بیشتری بوسیله مقایسه نیروی برش تخمین زده شده و هندسه براده با نتایج تجربی دارد.

     

     

    1. اثر شخم بر کاهش ضخامت براده برش نیافته:

    برای فرآیندهای تراشکاری نهایی(finishing‌) ابزار برش معمولاً دارای مشخصه هایی نظیر شعاع نوک زیاد ، زاویه راهنمای بزرگ ، زاویه براده منفی و آماده سازی سطح دارد که با نرخ پیشروی کم و عمق بار کم انجام می پذیرد بنابراین اثر شخم یا صیقل کاری موجب کاهش مقدار بار در نزدیکی نوک شعاع می شود و اثر لبه پشتی بر خواص سطح ماشین کاری شده بخصوص برای یک ابزار با پخ یا گردی زیاد مهم است که در شکل ۱۱ نشان داده شده است. رابطه منیمم ضخامت براده برش نیافته (tmin ) با اندازه شعاع لبه (re) برای ابزار سنگ زنی شده و هندسه پخ برای ابزار پخ خورده در جدول ۶ آمده است ، مینیمم ضخامت براده تغییر شکل نیافته (نتراشیده) به صورت مجازی معادل ارتفاع نقطه انحطاط hc است که در آن جدایش جریان ماده رخ می دهد که نیمه بالایی به شکل براده در می آید و نیمه پایینی از زیر ابزار حرکت کرده و جزئی از سطح ماشین کاری شده می شود.

     


     

    شکل ۱۱ نقطه جدایش جریان ماده (C ) و ضخامت براده مینیمم tmin (نتراشیده ) برای ابزار با شعاع زیاد

    جدول ۶ خلاصه محل نقطه جدایش و نسبت نیروهای (بر اساس نتایج شبیه سازی) برای ابزار لبه گرد و لبه پخ خورده را نشان می دهد.

     


     

    برای ابزار لبه گرد از جدول ۶ می توان مشاهده کرد که زاویه جدایش q در محدوده ۵۷-۶۵ ° قرار دارد که سازگار با نتایج چن و نی chen and Ni تحت شرایط شبیه سازی مشابه است به علاوه ارتفاع نقطه جدایش hc با افزایش شعاع لبه افزایش می یابد اطلاعات مشابه به دست آمده برای ابزار با بر اثر بزرگی نسبی مش های قطعه کار نزدیک نوک ابزار نباید به صورت دقیق مورد استفاده قرار گیرد. برای ابزار با لبه پخ خورده ارتفاع نقطه جدایش hc با افزایش عرض پخ و زاویه پخ بر اثر کندی هندسی افزایش می یابد.

    برای برش با نرخ پیشروی متفاوت نسبت شخم () به عنوان تابعی از هندسه لبه و شرایط ماشین کاری می تواند مورد استفاده قرار گیرد تا مقدار ماده قطعه کار که از زیر لبه برنده جریان می یابد (شخم زنی ) مشخص شود و می تواند وابسته به نسبت نیروهای برش تخمین زده شده () ( جدول ۶ ) باشد که با افزایش نسبت شخم کاهش می یابد به علاوه مقدار می تواند وابسته به درجه تغییر شکل پلاستیک سطح ماشین کاری شده و در تراشکاری وابسته به تنش پسماند ایجاد شده بر اثر نیروهای مکانیکی باشد به منظور تایید وابستگی فوق شبیه سازی با قطعه کار الاستیک- پلاستیک در آینده نیاز به انجام دارد ، همچنین اثر سرعت برشی بر نرخ شخم زنی نیز نیاز به بررسی دارد.

    شکل ۱۲ یک نتیجه عمومی منحنی های سرعت مطلق تخمین زده شده برای سیلان ماده در مقابل لبه برنده () را نشان می دهد. در این شکل خط A (که در آن سرعت برشی تقریباً ۲ % سرعت برش کل است ) تقریباً اندازه منطقه فلز مرده dead zone‌ (یا همان لبه انباشته BUE ) را نشان می دهد و به شدت به مدل اصطکاک مورد استفاده وابسته است ، باید یادآوری نمود که گرادیان سرعت در نزدیکی گوشه پخ پایینی ( قبل از نقطه جدایش که با نماد نمایش داده شده است ) دارای ماکزیمم نرخ کرنش ( تقریباً ) در مجاورت گوشه پخ پایینی است که در شکل ۱۲ (b) نشان داده شده است هم چنین باید یادآوری نمود که یک لایه برش نازک از گوشه پخ بالایی تا منطقه برش اولیه در امتداد مرز خارجی منطقه فلز مرده شروع به گسترش می کند.


  3.  

     خلاصه و نتیجه:

    با شبیه سازی برش توسط FEM امکان تخمین مقادیر متغیر های فرآیند که قابل اندازه گیری تجربی نیستند یا اندازه گیری تجربی آنها مشکل است وجود دارد مانند تنش های تماسی در سطح براده و سطح آزاد ابزار ، دمای برش در سطح تماس ابزار ، قطعه کار و ابزار ، براده ، میدان دمایی براده و سرعت های لغزشی بین ابزار و براده.

    اطلاعات در مورد این متغیر های فرآیند فهم بهتری از فیزیک برش را فراهم می کند و امکان اجرای بهینه سازی سیستماتیک فرآیند را بوجود می آورد.

    اثر هندسه های مختلف لبه ابزار (ابزار سنگ خورده و ابزار پخ خورده ) را بر متغیر های فرآیند توسط شبیه سازی برش با کمک FEM در این مقاله ارائه شده است بر اساس نتایج به دست آمده از شبیه سازی برش، یک بررسی مهندسی در مورد سایش ابزار برای هندسه های ابزار مطالعه شده امکان پذیر است زیرا خوردگی ابزار به صورت مستقیم با دمای برش ، تنش های ابزار و سرعت لغزش براده ارتباط دارد به علاوه هندسه لبه ابزار قابلیت بهینه سازی بر اساس منیمم سایش ابزار برای شرایط برش مشخص و جنس قطعه کار و ابزار مشخص را دارد.

 

 


 

 

فایل Word این مقاله در قالب Template و چیدمان مناسب

قیمت: ۱۰ هزار تومان

 

مطالب مرتبط
نظرات شما باعث دلگرمی و پیشرفت ما می شود.

telegram: @EngPedia_ir

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *