نرم افزارهای VIP در کانال تلگرام آپلود می شود. جهت دسترسی به فایلها، به کانال تلگرامی مراجعه نمایید: EngPedia_ir@

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

 

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

 

يونگ چانگ ين ، آنوراگ جين، تايلن آلتان

مركز تحقيقات مهندسي توليد دقيق (NSM) دانشگاه اهايو

 

چكيده:

اين مقاله اثر آماده سازي لبه ابزار برنده ( لبه گرد ( هونينك شده ) و لبه يخ خورده ( T شكل ) ) بر تشكيل براده ، نيروهاي ماشين كاري و متغير هاي فرآيند ( دما ، تنش وكرنش ) در برش متعامد را با كمك روش المان محدود FEM مورد بررسي قرار مي دهد. نتايج بدست آمده از اين مطالعه درك اساسي از مكانيك فرآيند برش با ديد واقع گرايانه نسبت به لبه ابزار برنده ايجاد مي كند و ممكن است به بهينه سازي طراحي لبه برنده كمك كند شبيه سازي برش به صورت برش ترمو وسيكو پلاستيك لاگرانژي مربوط به فولاد 2/0 درصد كربن تا زمان رسيدن به سیلان پایدار براده و نیروی پایدار برش انجام می پذیرد. نیرویِ برشِ تخمین زده شده و هندسه های براده برای ابزار سنگ زني شده با شعاع های لبه مختلف با نتايج تجربي بدست آمده از آزمایشات مقايسه شده است. دما و تنش هاي ابزار در لبه براده ابزار در حالي تخمين زده شده است كه جريان مواد در نزديكي شعاع لبه بوسيله محل نقطه جدايش مشخص مي شود. مدلسازی فرآيند همراه با شبيه سازي مناسب كه شامل كاربرد ابزار پخ زده با عرض ها و زاويه های مختلف پخ در ماشین کاری است انجام پذيرفته است.

 

كلمات كليدي: آماده سازي لبه، ابزار برش، شبيه سازي المان محدود.

 

  1. مقدمه :

در ماشين كاري به تغيير هندسه لبه برنده آماده سازي لبه گفته مي شود شكل 1 سه نوع مهم طرح آماده سازي لبه كه در بيشتر اينزرت هاي برش تجاري مورد استفاده است را نشان مي دهد که عبارتند از:

  1. لبه تيز
  2. لبه گرد يا سنگ زده
  3. لبه پخ خورده (T شكل )

     

     

     

    هم چنين ابزار لبه پخ خورده به صورت تركيبي با ابزار سنگ زده نيز موجود مي باشد هدفِ آماده سازي لبه ، مقاوم سازي لبه برنده و ايجاد سطح مناسب جهت پوشش دهي به روش رسوبگيري است به علاوه لبه گرد باعث کاهش ايجاد و رشد ترك ها و شكافهاي سطحی در حین ماشین کاری می شود و معمولاً در تيغه هاي برش نهايي مورد استفاده قرار مي گيرد. لبه هاي پخ دار هنگامي كه در برش مقدار بار براده زیاد (خشن كاري) و برش منقطع است استفاده مي شود.

    طراحي هندسه لبه برنده وابسته به پارامترهاي فرآيند همانند شكل مناطق تغيير شكل يافته و توزيع دمايي و تنش در سطح ابزار و نيرو هاي برش است اين اثرات در تراشكاري باعث تغيير در سیلان براده و كيفيت سطح ماشين كاري شده (همانند تنش هاي پسماند ) مقاومت در برابر سايش ابزار و عمر ابزار (قابليت ماشين كاري) مي شود. اين مقاله فرآيند برش را با توجه به اثرات لبه ابزار ( لبه گرد و پخ زده) و با كمك شبيه سازي به روش المان محدود (FEM ) بررسي مي كند. هدف درك اصولي متغير هاي فرآيند و مكانيك برش فلزات است که جهت بهينه سازي طراحي لبه ابزار موردنیاز است.

     

    1. پيش زمينه:

    بر اثر تاثيرات زياد آماده سازي لبه بر فرآیند برش ، طراحی مناسب لبه برنده نقش مهمي را در كاربردهاي نهايي فولادهاي سخت كاري شده دارد و يك موضوع بسيار جذاب هم از لحاظ تجربي و هم از لحاظ تئوری مي باشد. هودگسن و ترندلر(Hodgson and Trendler ) دريافتند كه تست تراشكاري سنگين با ابزار CBN با لبه تيز و زاويه براده -6° و زاويه تنظيم 75° منجر به بهترين عملكرد برش و بهترین عمر ابزار در حين ماشين كاري ابزار فولادي 6 D سخت كاري شده با هوا (HRC 62 ) مي شود. براي كاربرد بالا پخ زدن لبه برنده (0.2 mm´20° همرا با سنگ زنی 20µm ) اثر منفي بر عمر ابزار در مقايسه با يك لبه برنده تيز نشان مي دهد كه بر اثر ايجاد شكاف سايشي عمیق در سطح آزاد است. در يك مطالعه مشابه انجام شده بوسيله كيشاوي و اِلبستاوي kishawy and elbwstawi نتايج تجربی نشان مي دهند كه براي يك ابزار لبه تيز شدت تنش هاي پسماند کششی در سطح ماشين كاري شده و عمق نفوذ لايه هاي تحت تنش با افزايش سرعت برش كاهش يافته است كه روند برعكس براي ابزار لبه گرد وجود دارد.

    شينتاني shintani اثر هندسه ابزار بر عملكرد برش ابزار CBN در ماشین کاری فولاد سخت كاري و كربوده شده (600-720HV ) تحت شرايط برش پيوسته و منقطع را مورد بررسي قرار داد. بر اساس نتايج تجربي با در نظر گرفتن محدوده وسيعي از پارامترهاي هندسه ابزار ، هندسه ابزار بهينه براي برش پيوسته مشخص مي شود كه بايد داراي زاويه پخ -35° و با عرضی بيشتر از طول تماس ابزار – براده (0/2mm) باشد و شعاع نوك ابزار0/8mm و لبه به صورت سنگ زده با شعاع mm 5 0/0 است.

    براساس آناليز ANOVA (آناليز واريانس analysis of variance ) براي فولاد AISI 52100 سخت كاري شده با ابزار اینزرتي Low-CBN ، تيلِه و مِلكوتِه (Thiele and Melkote) دریافتند که آماده سازي لبه اثر قابل توجهي بر سختي ماده و زبري سطح می گذارد. افزايش شعاع لبه سنگ زده موجب افزايش زبري متوسط سطح بر اثر افزايش نيروي شخم ploughing force مي شود.

    ماتسوموتوmatsumoto اثر چهار طرح مختلف براي لبه برنده (تيز، سنگ زده ، پخ ساده و پخ دوتايي) بر تنش هاي پسماند در تراشكاري میله استوانه ای شکل را بررسي كرد و نتيجه گرفت در استفاده از ابزار سنگ خورده و ابزار پخ خوردۀ دوطرفه تنش پسماند در سطح ماشين كاري شده بسيار فشرده تر می شود و ناحيه تحت تاثير آن به زير لايه هاي عميق تري می رسد.

    مانجوناتايا و اِندرس Manjunathaiah and Endres يك مدل برش متعامد را ارائه كرده اند كه شامل اثر شعاع لبه به همراه آناليز تعادل نيروها در مرز پاييني منطقه تغيير شكل اوليه است و نيروهاي برش به عنوان تابعي از شعاع لبه و زاويه برش معرفي شده اند. در گزارش اخير نويسنده اثر شعاع نوک ابزار را بر روي سايش سطح آزاد ابزار مورد بررسي قرار داده است. نتايج تجربي نشان مي دهد كه براي ابزار لبه تيز يك شعاع نوک ابزار متوسط وجود دارد كه سايش سطح آزاد ابزار هم در لبه راهنما و هم در نوك ابزار مينيمم مي كند. رِن و آلتينتاس ren and altintas يك مدل برش تحليلي براي ابزار با لبه پخ خورده براساس مدل ميدان خطوط لغزش اُكسلي براي ابزار هاي لبه تيز ارائه كرده اند آنها تصمیم گرفتند براي منيمم كردن انرژي برش در منطقه تغيير شكل تاثیرات زاويه پخ و شرايط برش را بر روي نيروهاي برش و دما را مورد بررسی قرار دهند. مدل اكستروژن بر منطقه فلز مرده گوشه ها و در نزديكي پخ اعمال گرديد و با استفاده از نتايج اندازه گيري سايش ابزار و مدل ارائه شده زاويه پخ بهينه در حين ماشين كاري خشك فولاد P20 (34 HRC) با ابزار كاربايدي بدون پوشش در حدود -15° بدست آمد.

    بيشتر تحقيقات امروزي بر روي مدلسازي المان محدود برش متعامد با توجه به فرض لبه برش كاملاً تيز انجام می شود و نياز به يك معيار از قبل تعريف شده براي جدايش براده از قطعه كار در امتداد خط جدايش از قبل تعريف شده دارد. در سال هاي اخير كوشش هاي بسيار زيادي براي توسعه تكنيك هاي مدلسازي FEM با ابزار غير تيز انجام شده است. كه نتيجه آن پيشرفت در زمينه توابع مش بندي مجدد تطبيقي و انرژی محاسبه شده بوده است.

    چن و نی Chen and Ni يك مدل برش متعامد براي برش با ابزار لبه کند شده (سنگ زده ) ارائه كرده اند ، مدل جريان مواد در نزديكي لبه کند شده ( بدون ترك) در حين برش به صورت پيوسته در نظر گرفته شده است كه مشخص مي كند نقطه انفصال (stagnation point ) به نسبت ضخامت براده نتراشيده تقسیم بر شعاع لبه حساس نیست.

    كيم kim اثر شعاع لبه يك ابزار كار بيدي سمانته بر دما و نيروهاي ماشين كاري و با استفاده از مدل برش المان محدود و توسط فرمولاسيون اويلري را مورد مطالعه قرار داد و نتايج را با نتايج تجربي مقايسه نمود. نتايج شبيه سازي نشان داد كه با افزايش شعاع لبه ابزار توزيع دمايي ابزار تغيير كرده و موقعيت محل ما كزيمم دما به نوك ابزار نزديك تر مي شود. نتايج تجربي همچنين نشان داد كه نيروی برش با افزايش شعاع لبه افزايش مي يابد.

    شاتلا shatla شبيه سازي FEM بر اساس فرمولاسيون لاگرانژي را براي مطالعه تاثير آماده سازي لبه (سنگ زده – پخ زده ) بر روي دماي ابزار و تنش در برش متعامد فولاد H13 (46 HRC ) به كار برد. نتايج شبيه سازي نشان مي دهد كه تنش موثر ابزار هنگامی به مينيمم مي رسد كه يك شعاع لبه متوسط (mm 1/0) مورد استفاده قرار گيرد و استفاده از ابزار با شعاع لبه بزرگتر منجر به افزايش قابل توجه تنش در ابزار شده و موجب تمركز تنش در نزديكي سطح آزاد مي شود كه دليل آن افزايش نيروي شخم (ploughing force) در مسيري عمود بر سطح ماشين كاري شده است. در همان مطالعه اثرات هندسه هاي مختلف پخ زني بر روي دماي سطح آزاد و براده ابزار هم مورد بررسي قرار گرفته بود.

     

    1. هدف تحقيق :

    هدف كلي اين تحقيق مطالعه هندسه لبه ابزار در شرايط فرآيند برش است كه شكل گيري براده نيروهاي برش و متغيرهاي فرآيند (دما، تنش و كرنش ) را با استفاده از شبيه سازي المان محدود را بررسي مي كند كارهاي اصلي كه انجام مي پذيرد:

    1. مطالعه اثر شعاع سنگ زني براي ابزار سنگ زني شده و شكل براده، نيروهاي برش ، دما و مقايسه نتايج با اطلاعات تجربي بدست آمده از آزمایشات تجربی
    2. بررسي اثر زاويه پخ و عرض پخ بر روي ابزار پخ خورده و شكل براده ، نيروي برش ، دما و تنش هاي ابزار در سطح تماس

     

     

     

    1. مدل المان محدود براي آناليز برش متعامد:

    در مقاله كنوني شبيه سازي برش متعامد توسط كد تجاري deform 2D كه بر اساس فرمولاسيون لاگرانژي بهبود يافته براي شبيه سازي تغيير شكل هاي پلاستيك بزرگ است انجام می گیرد که فرآيند شكل گيري براده به عنوان جريان پلاستيك مورد شبيه سازي قرار می گیرد و جدايش براده از قطعه كار بوسيله مش بندي مجدد و به شكل پيوسته قابل دست يابي است. تنايج تجربي نشان داده اند كه شروع ترك در ناحيه جلوي نوك ابزار در حين برش حداقل در سطح ميكروسكوپي به حداقل می رسد و در این ناحیه رشد هیچ ترکی مشاهده نشده است.

    بعد از هر مرحله مش بندي مجدد ، حل متغيرهاي فرآيند بر روي قطعه كار با توجه به مش قديمي و مش تغيير شكل نيافته جديد انجام مي پذيرد.

     

  4. شبيه سازي برش پيوسته :

    براي دست يابي به جريان براده در حالت پايدار يك شبيه سازي برش ترمو ويسكو پلاستيك با كرنش سختي ايزوتروپیك قابل انجام است كه توسط ماژول konti cat كه توسط دانشگاه آچن آلمان معرفی شده است قابل انجام است .

    اين ماژول اجازه شبيه سازي برش براي اجرا در زمان طولاني و كافي برش نسبت به شبيه سازي لاگرانژي را مي دهد كه در حالت لاگرانژي زمان چند ميلی ثانيه است اصول ” konti cat” در زير شرح داده مي شود :

    در هر زمان يك مش بندي دوباره شروع مي شود در روش ” konti cat” براده اضافي تشكيل شده دور از منطقه برش و قطعه كار ماشين كاري شده در نظر گرفته می شود كه اين كار را بوسيله تعريف پارامتر سطح کنترل توسط كاربر انجام مي دهد ضمناً ماده جديد در مرز قسمت برش نخورده قطعه كار قرار مي گيرد. با تكرار اين روند شبيه سازي برش مي تواند به صورت پيوسته و بدون هيچ محدوديت زماني انجام پذيرد به علاوه شبيه سازي ” konti cat” مزاياي زير را دارد:

    1. از همگرايي ممكن و مسائل تماس هنگامي كه براده هاي طويل به سمت پايين حركت مي كنند و سطح قطعه كار تراشكاري نشده را لمس مي كند جلوگيري مي كند.
    2. حل حالت پاياي تقريبي جريان براده و متغيرهاي حالت (دماي قطعه كار و دماي سطح تماس ابزار – براده) قابل دست يابي است.
    3. كنترل بهتر كيفيت مش قابل دست يابي است و المان كمتري مورد نياز است.

    شكل 2 يك نتيجه نوعي از شكل گيري براده به دست آمده از ” konti cat” را نمايش مي دهد. جريان براده به شكل قابل ملاحظه اي بعد از 1ms تغيير نمي كند يعني ضخامت براده ، زاويه برش و شعاع حركت براده ثابت باقي مي ماند. همان طور كه در شكل 2 ملا حظه می كنيد ماده پشت لبه برنده برداشته مي شود زيرا براده سطح كنترل را ترك مي كند.

     


     

    در حين شبيه سازي ” konti cat” دمای سطح تماس ابزار ، براده در گره هاي سطح ابزار به صورت پيوسته مورد بررسي قرار مي گيرد تا مقادير آنها بدون تغيير باقي بماند سپس حل حالت پايدار ميدان دماي ابزار تقريب زده مي شود كه اين كار به وسيله آناليز انتقال حرارت خالص ابزار با مقادير دمايي ثابت انجام مي پذيرد.

     

  5. خواص مواد، قطعه كار و ابزار:

    جدول 1 خواص حرارتي و مكانيكي قطعه كار و ابزار را به صورت خلاصه نشان مي دهد. ابزار و قطعه كار به ترتيب كاربيد سمانتيت بدون پوشش و فولاد 0.2 درصد کربن است ، مدل تنش سیلان ( تسلیم ) براي فولاد كربن 0.18 % به عنوان تابع از كرنش ، نرخ كرنش ودما از تست فشار در سرعت هاي بالا توسط Usui بدست آمده است كه از اين اطلاعات در اين مقاله استفاده شده است اطلاعات بدست آمده با محدوديت هاي مشخص كرنش ، نرخ كرنش و دما در زير آمده است :

     

    (1)

    که


     

    كه در آن تنش سيلان بر حسب MPa وT دما (293-970 K ) است و نرخ كرنش مؤثر و كرنش 2 %– 05 /0 است.

     

    table

     

    مهم است كه به محدوده كاربرد كرنش ، نرخ كرنش و دما در معادله 1 بدست آمده توسط تست فشار ضربه اي توجه كنيد. اين اعداد در محدوده پایین نرخ كرنش هاي رخ داده در فرآيند هاي عملي برش هستند ، بنابراين برای بدست آوردن اطلاعات تنش سيلان ابتدا به سمت محدوده هاي بالاتر نرخ كرنش ، کرنش و دماهاي فوق برون يابي مي کنند و سپس اصلاحات انجام مي شود تا مطمئن شويم كه نيروهاي تخمين زده شده با نتايج تجربي توافق مناسب دارند یا نه. بنابراين اطلاعات تنش سيلان بدست آمده از تست فشار بدون تغيير باقي مي ماند اما بخشي كه توسط برون يابي تنش سيلان بدست آمده است تعديل مي شود.

     

  6. شرايط مرزي و مدل اصطكاك:

    شكل 3 شرايط مرزي حرارتي و جابه جايي اعمالي بر قطعه كار و ابزار را نشان مي دهد. ابزار ثابت است و سرعت برش min / m 130 بر مرزهاي قطعه كار C- B- A- G اعمال مي شود مرزهاي C-D-E-F-G يك سطح آزاد هستند و اجازه حركت آزاد در حين فرآيند را دارند.

    منابع حرارتي كه موجب افزايش دماي ناگهاني در حين برش مي شوند عبارتند از :

  7. ايجاد حرارت در اثر تغيير شكل پلاستيك قطعه كار ( انرژي مكانيكي ) در مناطق تغيير شكل اوليه و ثانويه
  8. گرماي ايجاد شده در سطح تماس ابزار براده و ابزار قطعه كار بر اثر اصطكاك

     

     

     

    براي محاسبه انتقال حرارت فرض هاي زير را انجام مي دهيم :

    1. تماس ابزار براده از نوع كاملاً حرارتي است در نتيجه مقادير بسيار بزرگي از ضريب انتقال حرارت جابه جايي (hint ) مورد استفاده قرار مي گيرد.
    2. مرزهاي قطعه كار و ابزار كه دور از منطقه برش است در دماي اتاق ( T=20 °C ) باقي مي ماند.
    3. براي سطوح آزاد در قطعه كار ، ابزار و براده افت حرارتي بر اثر كانوكشن ( جابه جايي) با فرض و تابش به محيط مورد توجه قرار مي گيرد به هر حال مقدار آن كم و قابل صرف نظر است.

     

    بنابراين شرايط مرز گرمايي براي ابزار و قطعه كار به صورت زير است:


     

     

     

    كهk ضريب هدايت حرارتي قطعه مورد نظر است و Tc دماي تماس قطعه روبرويي در سطح تماس ابزار براده و n بردار نرمال يكه بر سطوح مرزي است براي همه شبيه سازي هاي اين مقاله مدل اصطكاكي ساده زير مورد استفاده قرار گرفته است :

    (3)

    كه m فاكتور برش ثابت Kchip مقاومت تسليم برشي المان هاي براده در نزديكي سطح تماس ابزار براده است که برابر است با

    به منظور انتخاب مقدار مناسب m براي شبيه سازي ابزار با لبه گرد يك آزمايش حساسيت كه در آن m از 8/0-6/0 تغيير مي كرد انجام پذيرفت (تحت شرايط مشابه ) نتايج تخمين زده شده براي نيروي برش با مقادير تجربي مقايسه شد و در جدول 2 نشان داده شده است بايد يادآوري كرد كه هر دو جزء نيرويي با افزايش m افزايش مي يابد در حالي كه نيروي محوري به طور قابل ملاحظه اي كمتر از مقادير تجربي است كه در مورد آن بعداً بحث مي شود. براساس اين نتايج فاكتور برش اصطكاكي 7/0= m مورد استفاده قرار مي گيرد .


  1.  

    براي شبيه سازي ابزار پخ خورده با زاويه براده منفي در اثر نبود نتايج تجربي3/0=m مورد استفاده قرار مي گيرد تا شكل براده ایجاد شده در مقايسه با هنگامي كه مقادير بزرگتري از m مورد استفاده قرار می گیرد واقعی تر باشد براي مقادير بالاي m ( مثلاً7/0 = m ) چندين انباشتگي ماده در پشت براده و درسطح قطعه كار برش نيافته رخ مي دهد كه احتمالاً باعث اصطكاك بالا درسطح تماس ابزار – براده مي شود.

     

  2. شرايط برش:

    جدول 3 و جدول 4 شرايط برش و هندسه ابزار مورد استفاده براي شبيه سازي ابزار سنگ زني شده و ابزار پخ خورده را به ترتيب نمايش مي دهد همان شرايط تجربي فوق مورد استفاده قرارگرفت هندسه ابزار برا ي ابزار با لبه برنده سنگ زده شده و ابزار با لبه پخ زده شده در شكل 4 به صورت شماتيك آمده است.

     

     

     

    1. نتايج شبيه سازي براي ابزار با لبه سنگ خورده :
  3. نيروي برش و هندسه براده :

    شرايط شبيه سازي براي ابزار با لبه سنگ خورده در جدول 3 آمده است شكل 5 مقايسه بين نيروي برش تخمين زده شده با نتايج تجربي را نشان مي دهد. اختلاف درنيروي هاي برش بين 5-12 % است به هرحال نيروي محوري تخمين زده شده 13-25 % كمتر از نيروي تجربي است يك استثناء براي ابزار با لبه تيز (mm1 0/0 =re) مشاهده شده است جايي كه نيروي محوري به طور قابل توجهي كمتر از مقدار واقعي است همچنين از شكل 5 (b) مي توان دريافت كه اختلاف در نيروي محوري با افزايش شعاع لبه ابزار به سرعت كاهش مي يابد و به مقدار واقعي نزديك مي گردد.

     


     

    شكل (b) و(a) 5 نشان ميدهند كه هر دو جزء نيرو با افزايش شعاع لبه افزايش مي يابند ظاهراً اين كار بر اثر افزايش ناحيه برش است كه نيازمند نيروهاي بيشتري براي برش ماده است به علاوه كاهش زاويه برش و افزايش ضخامت براده موجب افزايش مساحت صفحه برش در منطقه تغيير شكل مي شود كه موجب افزايش نيروي برش مي شود به عبارت ديگر افزايش منطقه تماس در نزديكي نوك ابزار و افزايش نيروي شخم براثر شعاع لبه زياد موجب افزايش انرژي مخصوص برش شده كه به معني افزايش نيروي برش است با استفاده از شكل 5 مشاهده مي شود كه با افزايش ده برابري شعاع لبه (mm1/0 – 1 0/0) نيروي برش و نيروي محوري درحدود 10-15 % (براساس نتايج تجربي ) افزايش مي يابد.

    اختلاف بين نيروي محوري تخمين زده شده و نيروي تجربي در شكل 5 مي تواند به دلايل زير باشد:

  • بزرگي نسبي اندازه المان هاي قطعه كار و نوك ابزار هنگامي كه شعاع ابزار خيلي كوچك است که خطاهاي محاسباتي نيرو وابسته به شعاع ابزار به صورت قابل توجهي بوسيله مش بندي مجدد قابل رفع است.
  • خطاي برون يابي تنش سيلان ماده در نرخ كرنش هاي بالا و دماهاي بالا
  • مدل اصطكاكي ساده مورد استفاده براي سطح تماس ابزار براده

جدول 5 مقادير پيش بيني شده ضخامت براده و زاويه برش براي شعاع هاي ابزار مختلف را نشان مي دهد مشاهده شده است كه ضخامت براده با كاهش زاويه برش كمي افزايش مي يابد (با افزايش شعاع لبه كمي افزايش مي يابد)

 


 

از شعاع لبه بردماي سطح تماس ابزار براده:

شكل (a) 6 منحني دماي حالت گذرا بر حسب زمان براي دو نقطه 1 و2 كه درسطح براده ابزار تعريف شده اند را در طي شبيه سازي برش نشان مي دهد در شكل 6 (b) نتايج ماكزيمم دماهاي ابزار و دماي ميانگين سطح براده ابزاربدست آمده براي ابزارهاي با شعاع هاي مختلف آمده است مقايسه دماها بعد از پيمودن فاصله mm 64/8 انجام شده است مي توان مشاهده نمود كه شدت ماكزيمم دماي ابزار در نزديكي نوك ابزار (650°C ) تقريباً به اندازه شعاع لبه حساس نيست و مقدار مينيمم آن به نظر مي رسد كه در شعاع لبه متوسط (mm5 0/0 =r) رخ مي دهد ، همچنین مشاهده می شود كه دماي متوسط سطح براده به صورت يكنواخت با شعاع لبه افزايش مي يابد که به دلیل افزایش سطح تماس است. محل ماكزيمم دماي ابزار در حالت گذرا با مثلث در نمودار دمايي نشان داده شده است.

شكل 7 توزيع كرنش تخمين زده شده براي ابزار با لبه سنگ خورده با شعاع هاي مختلف لبه را نشان مي دهد مي توان مشاهده نمود كه درجه تغيير شكل پلاستيك در منطقه برش ثانويه و در سطح ماشين كاري شده (مثلاً خطوط منحني چگالي كرنش ) به صورت قابل ملاحظه اي با افزايش شعاع لبه افزايش مي يابد بنابراين گرماي بيشتري بر اثر كار پلاستيك در نزديك نوك ابزار براي ابزار با شعاع سنگ زني زياد ايجاد مي شود که این گرما به ابزار و يا براده انتقال داده مي شود به عبارت ديگر گرماي تلف شده به آساني بيشتري در يك سطح بزرگتري از ابزار با شعاع سنگ زني زياد توزيع مي شود كه به دليل كاهش محدوديت هاي هندسي است ، اين دو اثر مخالف باعث افزايش میانگین دمای قطعه و براده شده و توزيع بهتر بار حرارتي در يك ناحيه بزرگتري از لبه برنده را فراهم مي كند.

 


 

اين مورد مي تواند وجود شعاع لبه سنگ زني بهينه را توضيح دهد كه در آن ابزار كمترين دما را داشته باشد ( شكل 6 (b) ). افزايش دماي سطح براده در ابزار همراه با افزايش شعاع لبه به صورت مستقيم منجر به افزايش تغيير شكل پلاستيك در نزديكي سطح تماس ابزار- براده است.

 

  1. توزيع تنش درسطح براده ابزار:

    شكل 8 توزيع تنش نرمال وتنش برش در امتداد سطح براده در دو ابزار با لبه گرد با شعاع هاي لبه مختلف (mm 1 0/0 و 1/0) رانشان مي دهد. مدل تنش ابزار در سطح براده به صورت كيفي در توافق خوبي با نتايج تجربي است تنش قائم و برشی نمايان كننده يك منطقه مسطح نزديك نوك ابزار (به نام منطقه اصطكاك چسبان) است و سپس به صورت يكنواخت كاهش يافته تا به مقدار صفر در نقطه جدايش براده در سطح براده (منطقه اصطكاك لغزنده ) مي رسد همچنين مشاهده شده است كه شعاع لبه وابستگي قابل توجهي به شدت اجزاء تنش ندارد در حالي كه طول مناطق چسبنده و لغزش براي دو ابزار به مقدار كمي متفاوت است.

     

     

     

     

    شكل 8 توزيع تنش برشي و قائم تخمين زده شده در سطح براده ابزار با شعاع هاي مختلف لبه (mm 1/0 و 01/0=re)

    رابطه اصطكاك برشی معادله (3) تنش برش تماسي (t) را به عنوان تابعي از تنش سيلان موضعي براده بيان مي كند. بنابراين در به کار بردن رابطه اصطكاكي در محاسبات FEM ممكن است برای ارزیابی درستی مدل مقدار محاسبه شده از شكل 8 (خروجي ) را با مقدار محاسبه شده از مدل تنش سيلان ماده (ورودي ) (معادله1) مقایسه کنند. با توجه به مقدار تنش برشی ثابت مشاهده شده از شكل8 (375 MPa) و رابطه اصطكاك (معادله 3 ) مقدار تقريباً برابر 930 MPa بدست می آید ، از طرف ديگر بر مبناي مقدار ميانگين دما ، كرنش و نرخ كرنش محاسبه شده براي منطقه برش ثانويه در براده و معادله 1 مقدار تخمين زده مي شود كه برابر 1010 MPa می شود كه مقادير ورودي و خروجي در توافق خوبي با يكديگر (اختلاف 8 % ) است.

     

     

     نتايج شبيه سازي براي ابزار با لبه يخ خورده

  • اثر هندسه لبه پخ خورده بر نيروي برش

  1. شكل 9 اثر زاويه پخ بر نيروي برش براي عرض هاي مختلف پخ (1/0 و mm 2/0) بدست آمده از شبيه سازي را نشان مي دهد، به نظر مي رسد كه افزایش زاويه پخ اثر بیشتري بر نيروي برش وقتی که عرض پخ بزرگتر است دارد. به عبارت ديگر تغيير زاويه پخ اثر مهم تري بر نيروي محوري نسبت به نيروي برش مي گذارد ، افزايش 16-30 % نيروي محوری زماني بدست مي آيد كه زاويه پخ از 15 به 25 درجه افزايش يابد در حالي كه نيروي برش كمتر از 10 % افزايش مي يابد اثر زاويه پخ بر نيروي محوری مي تواند به صورت افزايش سطح تماس موثر بين قطعه كار و ابزار نزديك ناحيه پخ بر اثر افزايش زاويه پخ باشد (افزايش طول تصوير شده در جهت نيروي محوري).

     

     

     

     

     

  2. اثر هندسه لبه پخ بر دماي برش:

    شكل 10 خطوط هم دماي حالت پايدار تخمين زده شده براي ابزار پخ خورده را نشان مي دهد مشاهده شده است كه شكل لبه پخ كمي دماي سطح تماس ابزار براده را تغيير مي دهد ماكزيمم دما در سطح براده با افزايش عرض پخ و زاويه پخ افزايش مي يابد و در محدوده قرار مي گيرد به علاوه گسترش منطقه با دماي بالا نزديك و يا درون ابزار كه با خط K در نمودار نشان داده شده است عميق تر نفوذ مي كند در حالي كه با افزايش زاويه و يا عرض پخ به سمت گوشه كوچكتر لبه پخ خورده (نوك ابزار ) حركت مي كند .

    در شكل 10 موقعيت ماكزيمم دمای ابزار براي ابزار پخ خورده در گوشه پخ بالايي رخ مي دهد (شكل 10ازa تا c )ولی ماكزيمم دما در شكل d در گوشه پاييني پخ خورده رخ مي دهد كه در آن ابزار داراي عرض و زاويه پخ بزرگتري است هنگام مقايسه اين روند به نتايج دماي حالت گذرا شكل 6 و نتايج دماي حالت پايدار توجه كنيد و يك مقايسه بين ابزار لبه گرد و ابزار با لبه پخ خورده در محل ماكزيمم دماي ابزار انجام دهيد. به صورت كلي محل ما كزيمم دما براي ابزار گرد در سطح براده ابزار به سمت نوك ابزار جابه جا مي شود كه وابسته افزايش نسبت re/tu است يك ابزار پخ خورده با عرض پخ زياد و زاويه پخ زياد موجب اثري مشابه ابزار با لبه سنگ زده مي شود و موجب شود كه نقطه ماكزيمم دما به سمت نوك ابزار حركت كند .

    نتايج فوق براي ابزار پخ زده نیاز به بررسي بيشتري بوسيله مقايسه نيروي برش تخمين زده شده و هندسه براده با نتايج تجربي دارد.

     

     

    1. اثر شخم بر كاهش ضخامت براده برش نيافته:

    براي فرآيندهاي تراشكاري نهايي(finishing‌) ابزار برش معمولاً داراي مشخصه هايي نظير شعاع نوك زياد ، زاويه راهنماي بزرگ ، زاويه براده منفي و آماده سازي سطح دارد كه با نرخ پيشروي كم و عمق بار كم انجام مي پذيرد بنابراين اثر شخم يا صيقل كاري موجب كاهش مقدار بار در نزديكی نوك شعاع مي شود و اثر لبه پشتي بر خواص سطح ماشين كاري شده بخصوص براي يك ابزار با پخ يا گردي زياد مهم است که در شكل 11 نشان داده شده است. رابطه منيمم ضخامت براده برش نیافته (tmin ) با اندازه شعاع لبه (re) براي ابزار سنگ زني شده و هندسه پخ براي ابزار پخ خورده در جدول 6 آمده است ، مينيمم ضخامت براده تغيير شكل نيافته (نتراشيده) به صورت مجازي معادل ارتفاع نقطه انحطاط hc است كه در آن جدايش جريان ماده رخ مي دهد كه نيمه بالايي به شكل براده در مي آيد و نيمه پاييني از زير ابزار حركت كرده و جزئي از سطح ماشين كاري شده مي شود.

     


     

    شكل 11 نقطه جدايش جريان ماده (C ) و ضخامت براده مينيمم tmin (نتراشيده ) براي ابزار با شعاع زياد

    جدول 6 خلاصه محل نقطه جدايش و نسبت نيروهاي (بر اساس نتايج شبيه سازي) براي ابزار لبه گرد و لبه پخ خورده را نشان مي دهد.

     


     

    براي ابزار لبه گرد از جدول 6 مي توان مشاهده كرد كه زاويه جدايش q در محدوده 57-65 ° قرار دارد كه سازگار با نتايج چن و نی chen and Ni تحت شرايط شبيه سازي مشابه است به علاوه ارتفاع نقطه جدايش hc با افزايش شعاع لبه افزايش مي يابد اطلاعات مشابه به دست آمده براي ابزار با بر اثر بزرگي نسبي مش هاي قطعه كار نزديك نوك ابزار نبايد به صورت دقيق مورد استفاده قرار گيرد. براي ابزار با لبه پخ خورده ارتفاع نقطه جدایش hc با افزايش عرض پخ و زاويه پخ بر اثر كندي هندسي افزايش مي يابد.

    براي برش با نرخ پيشروي متفاوت نسبت شخم () به عنوان تابعي از هندسه لبه و شرايط ماشين كاري مي تواند مورد استفاده قرار گيرد تا مقدار ماده قطعه كار كه از زير لبه برنده جريان مي يابد (شخم زني ) مشخص شود و مي تواند وابسته به نسبت نيروهاي برش تخمين زده شده () ( جدول 6 ) باشد كه با افزايش نسبت شخم كاهش مي يابد به علاوه مقدار مي تواند وابسته به درجه تغيير شكل پلاستيك سطح ماشين كاري شده و در تراشكاري وابسته به تنش پسماند ايجاد شده بر اثر نیروهای مكانيكي باشد به منظور تاييد وابستگي فوق شبيه سازي با قطعه كار الاستيك- پلاستيك در آینده نياز به انجام دارد ، همچنین اثر سرعت برشي بر نرخ شخم زني نیز نياز به بررسي دارد.

    شكل 12 يك نتيجه عمومي منحني هاي سرعت مطلق تخمين زده شده براي سیلان ماده در مقابل لبه برنده () را نشان مي دهد. در این شكل خط A (كه در آن سرعت برشی تقريباً 2 % سرعت برش کل است ) تقريباً اندازه منطقه فلز مرده dead zone‌ (يا همان لبه انباشته BUE ) را نشان مي دهد و به شدت به مدل اصطكاك مورد استفاده وابسته است ، بايد يادآوري نمود كه گراديان سرعت در نزديكي گوشه پخ پاييني ( قبل از نقطه جدايش كه با نماد نمايش داده شده است ) داراي ماكزيمم نرخ كرنش ( تقريباً ) در مجاورت گوشه پخ پاييني است كه در شكل 12 (b) نشان داده شده است هم چنين بايد يادآوري نمود كه يك لايه برش نازك از گوشه پخ بالايي تا منطقه برش اوليه در امتداد مرز خارجي منطقه فلز مرده شروع به گسترش مي كند.


  3.  

     خلاصه و نتيجه:

    با شبيه سازي برش توسط FEM امكان تخمين مقادير متغير هاي فرآيند كه قابل اندازه گيري تجربي نیستند یا اندازه گیری تجربی آنها مشكل است وجود دارد مانند تنش هاي تماسی در سطح براده و سطح آزاد ابزار ، دماي برش در سطح تماس ابزار ، قطعه كار و ابزار ، براده ، ميدان دمايي براده و سرعت هاي لغزشي بين ابزار و براده.

    اطلاعات در مورد اين متغير هاي فرآيند فهم بهتري از فيزيك برش را فراهم مي كند و امكان اجراي بهينه سازي سيستماتيك فرآيند را بوجود می آورد.

    اثر هندسه هاي مختلف لبه ابزار (ابزار سنگ خورده و ابزار پخ خورده ) را بر متغير هاي فرآيند توسط شبيه سازي برش با كمك FEM در این مقاله ارائه شده است بر اساس نتايج به دست آمده از شبيه سازي برش، يك بررسي مهندسي در مورد سایش ابزار براي هندسه هاي ابزار مطالعه شده امكان پذير است زیرا خوردگي ابزار به صورت مستقيم با دماي برش ، تنش هاي ابزار و سرعت لغزش براده ارتباط دارد به علاوه هندسه لبه ابزار قابلیت بهينه سازي بر اساس منيمم سایش ابزار برای شرايط برش مشخص و جنس قطعه كار و ابزار مشخص را دارد.

 

 


 

 

فایل Word این مقاله در قالب Template و چیدمان مناسب

قیمت: 10 هزار تومان

 

مطالب مرتبط

دیدگاهتان را بنویسید

بخش های مورد نیاز علامت گذاری شده اند نشانی ایمیل منتشر نخواهد شد

نویسنده : آدرس سایت : ایمیل :


0

شبکه های اجتماعی

دانشنامه تخصصی مهندسی ایران را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید

0 0

عضویت در خبرنامه

برای دریافت آخرین اخبار در زمینه مهندسی شامل نرم افزارها، استانداردها و آموزش ها به سامانه اطلاع رسانی ما بپیوندید.

بدون پرداخت هزینه، تا هر وقت بخواهید.

تست

همکاران ما

گروه مپنا
گروه مپنا
دانشگاه تهران
دانشگاه تهران
سایپا
سایپا
ایران خودرو
ایران خودرو
شرکت ملی نفت ایران
شرکت ملی نفت ایران
ذوب‌آهن اصفهان
ذوب‌آهن اصفهان
فولاد خوزستان
فولاد خوزستان
مشاوره

نیاز به مشاوره دارید؟

 
                    همکاران ما پاسخگو شما خواهند بود.