مقاله مدل سازی رفتار دینامیکی آلومینیوم آلیاژی ۵٠٨٣ در فرآیند ماشین کاری

word قابل ویرایش
19 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

 

مدل سازی رفتار دینامیکی آلومینیوم آلیاژی ۵٠٨٣ در فرآیند ماشین کاری

چکیده
کاربرد گسترده فرآیند ماشین کاری در تولید قطعات صنعتی، بهینه سازی این فرآیند را مورد توجه محققان قرار داده است . در این بین استفاده از شبیه سازی المان محدود بیشتر مورد توجه واقع شده است . اما میزان دقت و قابلیت اعتماد نتایج پیش بینی شده عمدتا به انتخاب معادله بنیادی که تنش سیلان ماده را تحت شرایط برش (کرنش ، نرخ کرنش و دما) بیان مینماید، وابسته است . یکی از دقیق ترین و کاربردیترین معادلات ارائه شده به منظور بررسی رفتار دینامیکی مواد مختلف ، معادله ی بنیادی جانسون – کوک است . به منظور مدل سازی رفتار مواد با استفاده از معادلات بنیادی، نیاز به تعیین ضرایب معادلات برای هر ماده میباشد. به منظور محاسبه ضرایب معادله جانسون – کوک در بیان رفتار دینامیکی آلومینیوم آلیاژی ۵٠٨٣، از ترکیب اطلاعات تنش سیلان تست های فشردن در نرخ کرنش پایین و تست های ماشین کاری متعامد با نرخ کرنش بالا، استفاده شده است . پس از تعیین ضرایب معادله ، به منظور تعیین صحت آن ، فرآیند ماشین کاری با استفاده از کد تجاری آباکوس به روش اجزاء محدود شبیه سازی و نتایج حاصل از آن با نتایج تجربی مقایسه شده است . بررسیها نشان دهنده صحت ضرایب بدست آمده و معادله برقرار شده برای آلومینیوم آلیاژی فوق میباشد. بنابر این با استفاده از این معادله میتوان رفتار آلیاژ انتخابی را در سایر فرآیندهای ماشین کاری و شکل دهی مدل و از نتایج آن استفاده کرد.

١- مقدمه
ماشین کاری یا برش فلزات به فرآیندهایی اطلاق میشود که در آن ها لایه یا تکه نازکی از ماده ، که براده یا تراشه نام دارد، توسط ابزاری با لبه ی گوه مانند تیز از قطعه بزرگ تر جدا میشود. در مهندسی، عبارت ماشین کاری، تمامی فرآیندهای تولید براده را در بر میگیرد [١]. به دلیل کثرت پارامترهای دخیل در فرآیند ماشین کاری، هنوز امکان برآورد و پیش بینی کامل خروجی و تغییرات شرایط حاکم بر آن در طی فرآیند به صورت کامل فراهم نشده است .
واضح است که پیش بینی و امکان بررسی شرایط حاکم بر فرآیند از دیدگاه اقتصادی از اهمیت بسزایی برای دست اندرکاران صنعت ماشین کاری برخوردار است . از آن جا که انجام آزمایش های تجربی زمان و هزینه های زیادی بر
پژوهشگران تحمیل میکند، مدل سازی فرآیندها به روش اجزاء محدود کاربرد فراوانی پیدا کرده است . اما صحت و دقت مدل سازی با استفاده از روش های اجزاء محدود عمدتا به اطلاعات و داده های ورودی مربوط به خواص مکانیکی قطعه کار (مانند مدول الاستیسیته و تنش سیلان ١)، خواص فیزیکی- حرارتی قطعه و ابزار (مانند چگالی و هدایت حرارتی)، شرایط تماسی ابزار و براده
(مانند مکانیزم اصطکاک و ثابت های مربوط به آن ) و شرایط تماس ابزار با سطح ماشین کاری شده قطعه بستگی دارد [٣،٢]. یکی از داده های ورودی مورد نیاز، تنش سیلان و یا تنش تسلیم آنی ١ است ؛ تنشی که ماده با رسیدن به آن وارد منطقه تغییر شکل پلاستیک میشود. در فرآیندهای تغییر شکل با توجه به این که شرایط ماده مرتبا در حال تغییر است ، نمیتوان تنش سیلان ماده را برابر با تنش تسلیم در شرایط شبه استاتیکی (مشابه آزمایش کشش تک محوری) در نظر گرفت . موفقیت و قابل اعتماد بودن نتایج شبیه سازی اجزاء محدود وابستگی شدید به اطلاعات تنش سیلان ماده به صورت تابعی از کرنش ، نرخ کرنش و دما دارد [۴]. توجه به این نکته که رفتار دینامیکی بسیاری از مواد نسبت به رفتار شبه استاتیکی آنها متفاوت است ، در حل مسایل مختلف مهندسی از جمله ماشین کاری و شکل دهی فلزات حائز اهمیت و تاثیرگذار است . مواد مختلف ، تحت تاثیر نرخ کرنش های بالا و درجه حرارت های زیاد، رفتاری متفاوت نسبت به شرایط شبه استاتیکی از خود نشان میدهند. توجه دقیق به تاثیر نرخ کرنش و درجه حرارت بر رفتار فلزات ، از نکات مهم در طراحی سازه ها و قطعات مهندسی و همچنین محاسبات فرآیندهای مختلف ساخت و تولید میباشد. از دیگر دلائل نادرستی استفاده از اطلاعات بدست آمده از تست های استاندارد نظیر تست کشش و فشار برای برآورد تغییر شکل های بزرگ ، تفاوت زیاد بازه تغییرات پارامترها در این نوع تغییر شکل ها نسبت به تست های استاندارد است . تغییر شکل در دماهای بالا با تغییر فازهای متالوژیکی که ریز ساختار را تحت تاثیر قرار میدهند نیز همراه است . تغییر شکل فلزات در فرآیند ماشین کاری که همراه با کرنش زیاد، نرخ کرنش بالا و دمای بالا میباشد، ارائه مدل دقیق برای تعیین رفتار سیلان فلز در ماشین کاری را پیچیده و دشوار ساخته است . برای مدل سازی ریاضی تنش سیلان در فرآیندهایی با تغییر شکل های بزرگ و سریع که فرآیند ماشین کاری بارزترین نمونه آن است ، مدل های متفاوتی توسط محققین ارائه شده است . این مدل ها و یا معادلات بنیادی برای مدل سازی تنش سیلان بر پایه تئوریهای فیزیکی و مشاهدات عملی ارائه شده و صحت آن ها در زمان ارائه به اثبات رسیده است اما در سایر تحقیقات مشابه که نیاز به استفاده از این معادلات بوده است ، اکثر آن ها به علت پیچیدگی و دشواری تعیین ضرایب ، کمتر مورد استفاده واقع شده اند. از جمله این معادلات میتوان به معادلات ارائه شده توسط زریلی – آرمسترانگ ، مک گریگور، ماریوسیچ و معادله بنیادی جانسون – کوک که یکی از جامع ترین و کاربردیترین آن ها میباشد (معادله ١) اشاره کرد.

از میان معادلات ارائه شده ، معادله جانسون – کوک و برخی فرم های ویرایش شده آن به صورت وسیع توسط پژوهشگران در شبیه سازی فرآیندهای ماشین کاری و شکل دهی مورد استفاده قرار گرفته است . صحت نتایج شبیه سازی با نتایج تجربی در فرآیندهای مختلف و مواد متفاوت با استفاده از این مدل تا جائی ادامه یافته است که امروزه تقریبا بیشرکدهای تجاری المان محدود از این معادله به صورت پیش فرض در کتابخانه اطلاعاتی ٢ خود استفاده میکنند و نیازی به نوشتن زیر برنامه ٣ جهت معرفی این مدل به بسته های نرم افزاری نمیباشد. سایر مدل های ارائه شده کاربرد زیادی پیدا نکرده اند و یا بندرت در شرایط و مواد خاص مورد استفاده قرار میگیرند.
معادلات بنیادی ارائه شده دارای ثابت هایی میباشند و منظور از تعیین رفتار دینامیکی مواد، یافتن مقادیر ثابت ها و تعیین ضرایب معادلات برای ماده ی مورد نظر در شرایط فرآیندی خاص میباشد. برای تعیین این ضرایب میتوان از دستگاه تست دو میله ای فشاری هاپکینسون ۴ و یا از تست های ماشین کاری متعامد استفاده کرد [۵].
روش تست میله فشار هاپکینسون در اوایل قرن بیستم معرفی شده و برای مطالعه رفتار دینامیکی مواد در نرخ کرنش بالا و دماهای مختلف بسط و توسعه پیدا کرده است . شیراکاشی و ماکاوا [۶] با اندکی تغییرات ، از این تست برای استخراج رفتار دینامیکی مواد در ماشین کاری استفاده کرده اند. دستگاه تست هاپکینسون امکان ایجاد تغییر شکل های بیشتر همراه با نرخ کرنش بالا در دمای زیاد را با استفاده از یک تفنگ بادی فشار بالا و کوره القایی نصب شده بر روی دستگاه امکان پذیر میسازد. با توجه به افزایش سرعت و استفاده از کوره القایی، نرم شدن در اثر باز پخت و پیر سختی در قطعات رخ نمیدهد و میتوان رفتار دینامیکی مواد تا نرخ کرنش ١-s ١٠۴ را بدست آورد.
ترکیب روش های سنتی تست مواد با نرخ کرنش پایین با تست های ماشین کاری به منظور مطالعه رفتار دینامیکی و بدست آوردن معادله تنش سیلان توسط افراد مختلف به کار گرفته شده است . استیونسون [٧] برای اینکه دمای برش حدودا برابر دمای اتاق و محیط باشد، آلومینیوم را با سرعت های برشی بسیار پایین ماشین کاری کرده است . او نشان داد که تنش سیلان برشی در این بازه از سرعت های برشی، تقریبا با تست فشردن برابر است . اویان و تاکاشیما [٨] تنش سیلان را با استفاده از تست های کشش در دماهای بالا بدست آورده و تنش های ماشین کاری را با برون یابی این اطلاعات حدس زدند. گیو [٩] از ترکیب تست های فشردن در دمای محیط و نرخ کرنش بسیار پایین و تست های ماشین کاری با سرعت برشی کم ، رفتار تنش سیلان آلیاژ آلومینیوم T۶٠۶١۶ را محاسبه کرد. کلیت روش براساس انطباق اطلاعات تنش سیلان بدست آمده از تست های با نرخ کرنش بالا و پایین روی یک معادله مفروض میباشد. بارزترین مشخصه معادله بدست آمده از این روش امکان تعیین تنش سیلان در بازه وسیعی از نرخ کرنش ها توسط معادله حاصله میباشد. بوکرمر [١٠] از تراش کاری متعامد و شبیه سازی اجزاء محدود برای تعیین ضرایب معادله جانسون -کوک برای فولاد ١٠۴۵ با براده پیوسته و سوپر آلیاژ اینکونل ٧١٨ با براده منقطع استفاده کرده است . فرآیند انتخابی، خان کشی بوده است . ازل و همکارانش [١١] شرایط ماشین کاری را برای تعیین تنش سیلان ماده و خواص اصطکاکی به منظور کاربرد در شبیه سازی اجزاء محدود به کار گرفته اند. هدف اصلی این مقاله ، نحوه ی تعیین ضرایب مدل جانسون – کوک با استفاده از تست های ماشین کاری متعامد و مدل سازی رفتار دینامیکی آلومینیوم آلیاژی ۵٠٨٣ در فرآیند ماشین کاری میباشد.
٢- آزمایش های تجربی
٢-١- تجهیزات انجام تست ها
برای اجرای تست های تراش کاری متعامد و بدست آوردن رفتار تنش سیلان ، قطعه کار استوانه ای به قطر ۶٠ میلیمتر از جنس آلومینیوم ۵٠٨٣ تهیه و از دو طرف پیشانی تراشی، مته مرغک زنی و همچنین روتراشی شد تا در حین تراش کاری حالت تک محوری بودن آن کاملا رعایت شود. جدول ١ عناصر آلیاژی موجود در آلیاژ ۵٠٨٣ را نشان میدهد.
برای انجام آزمایش ها، از ماشین تراش انیورسال استفاده شده است که حداکثر قطر کارگیر آن ٣٠٠ میلیمتر و حداکثر کورس محور طولی (محور Z) آن ١٠٠٠ میلیمتر میباشد. حداکثر دور محور اسپیندل ٢٠٠٠ دور بر

جدول ١ عناصر آلیاژی آلومینیوم ۵٠٨٣

دقیقه بوده و سرعت پیشروی محورها از ٠.٠۵٢ تا ١.٣٩٢ میلیمتر بر دور در حالت پیشروی اتوماتیک در راستای محور طولی و از ٠.٠١۴ تا ٠.٣٨٠ میلیمتر بر دور در راستای محور عرضی دستگاه میباشد. قطعه کار توسط سه نظام مهار شده است . از ابزار شیار تراش کاربیدی استفاده شده است .
اندازه گیری نیروها با استفاده از دینامومتر کیستلر١ مدل ۹۲۵۷B انجام شده است . این دینامومتر دارای ظرفیت اندازه گیری نیرو در سه راستای X، Y و Z از ۵- تا ۵+ کیلو نیوتن میباشد. کابل خروجی از دینامومتر به یک آمپلی فایر نوع ۵٠١٩ وصل میشود که وظیفه آن افزایش دامنه اطلاعات رسیده از صفحه دینامومتر میباشد. اطلاعات تقویت شده در آمپلی فایر به برد اخذ اطلاعات کامپیوتر وارد میشود که وظیفه اصلی آن جمع آوری اطلاعات و تبدیل آن به فرمت نرم افزار داینوور٢ است . برای انجام تست های فشردن ، از پرس هیدرولیکی با حداکثر ظرفیت ١٠ تن و با محدوده سرعت ٠.١ تا ۵ میلی متر بر دقیقه استفاده شده است .
٢-٢- تست های فشردن
هدف از انجام تست های فشردن بدست آوردن اطلاعات تنش سیلان در بازه ای از پارامترهای تغییر شکل است که در آن ها بتوان اثر نرخ کرنش در تنش سیلان را حذف و به بررسی تاثیرات کرنش سختی (همراه با دما نرمی یا بدون آن ) بر رفتار تنش سیلان پرداخت . بدین منظور نمونه های استوانه ای از جنس آلیاژ آلومینیوم ۵٠٨٣ با نسبت ارتفاع به قطر ٢ (ارتفاع ٢۶ میلیمتر و قطر ١٣ میلیمتر) طبق استاندارد با استفاده از تراش – کاری با سرعت پایین تهیه شدند. به منظور کاهش تاثیر اصطکاک، دو سطح بالایی و پایینی نمونه ها با دقت پولیش کاری و تخت شده و سطوح بالایی و پایینی دستگاه نیز تا حد امکان صاف و صیقلی انتخاب شده اند. تدابیر یاد شده به منظور کاهش اصطکاک بین سطوح نمونه ها و فک های دستگاه میباشد تا بتوان از تاثیر پدیده اصطکاک در نتایج صرف نظر کرد. لازم به ذکر است که به منظور کاهش اصطکاک از روان کار بین سطوح تماس فک ها و نمونه ها استفاده شده است . پیش از شروع تست ، برای جلوگیری از ایجاد ضربه در لحظه تماس ، فک متحرک بالایی دستگاه دقیقا در حالت تماس با سطح بالایی نمونه قرار داده شد.
نرخ کرنش های برای انجام تست ها در نظر گرفته شد [١٣,١٢]. کلیه تست های فشار در دمای c°٢۵ انجام شده است . با افزایش کرنش و رسیدن آن به مقادیر بیش از ٠.۴ در نمونه های مورد آزمایش ترک بوجود آمده است . به همین دلیل اطلاعات تا کرنش ٠.۴ ثبت و مورد استفاده قرار گرفته اند. منحنیهای تنش – کرنش حقیقی بدست آمده در شکل ١ نشان داده شده است .
با توجه به منحنیهای تنش -کرنش بدست آمده واضح است که در بازه انتخاب شده برای نرخ کرنش ، تنش سیلان تغییرات قابل توجهی نشان نمیدهد و رفتار ماده در بازه انتخابی به نرخ کرنش حساس نمیباشد. کم بودن حالت بشکه ای پس از تست ، نشان از کم بودن نقش اصطکاک در آزمایش ها دارد و صرف نظر کردن از آن امکان پذیر میباشد.
٢-٣- تست های ماشین کاری متعامد
برای انجام تست های ماشین کاری متعامد روی بلوک استوانه ای از جنس آلیاژ آلومینیوم ۵٠٨٣، تعدادی شیار با عمق متوسط ٩ میلیمتر ایجاد شد تا در هنگام تست ، با انجام ماشین کاری روی لبه های برجسته باقیمانده بین شیارها با ابزار شیارتراشی، حالت برش متعامد دوبعدی ایجاد گردد. منظور از برش دو بعدی آن است که نیروی محوری حذف و فقط نیروهای شعاعی و محیطی بر ابزار وارد شود. در این حال نیروی شعاعی همان نیروی پیشروی و نیروی محیطی همان نیروی برشی خواهد بود. پیکربندی ماشین تراش ، ابزار و ابزارگیر، دینامومتر و قطعه در شکل ٢ آورده شده است .
لازم به ذکر است که در تمامی حالات ، زاویه آزاد اصلی برابر ١٢ درجه و زاویه براده صفر درجه در نظر گرفته شده است . در این حالت نیرو در راستای محور Z برابر نیروی برشی (FC) و در راستای محور X، برابر نیروی پیشروی (FT) خواهد بود. در انتخاب شرایط ماشین کاری و بوجود آوردن حالت کرنش

صفحه ای که پایه و اساس روابط تحلیلی ارائه شده توسط اکسلی میباشد، نسبت پهنای براده جدا نشده به ضخامت براده جدا شده باید مساوی یا بیشتر از ١٠ باشد. پس از انجام هر تست ضخامت براده ی بدست آمده ، با کولیس دیجیتال با قدرت تفکیک ٠.٠١ میلیمتر در پنج مقطع متفاوت اندازه گیری و میانگین اعداد به عنوان ضخامت براده ی جدا شده ثبت گردید. جدول ٢ نتایج و مقادیر ثبت شده را در شرایط متفاوت ماشین کاری ارائه میکند.
٣- تعیین معادله ی بنیادی تنش سیلان
مدل بنیادی جانسون -کوک به عنوان شناخته شده ترین مدل پدیداری جریان تنش وابسته به کرنش ، نرخ کرنش و دما بوده و با موفقیت برای گستره وسیعی از مواد با نرخ کرنش های متفاوت در دماهای گوناگون مورد استفاده قرار گرفته است (معادله ١). مدل جانسون -کوک به دلیل سهولت و فراگیری پارامترها برای گستره وسیع مواد بسیار موفق بوده است . در این معادله
تنش جریان ، کرنش پلاستیک ، نرخ کرنش پلاستیک ، نرخ کرنش پلاستیک مبنا، T دمای لحظه ای قطعه کار، Troom دمای محیط ، Tmelt دمای ذوب ماده قطعه کار، A تنش تسلیم در دمای مرجع ، B ضریب کرنش سختی، n توان کرنش سختی، C ضریب نرخ کرنش و m توان نرم شوندگی فلز در اثر حرارت است . ثابت A برای آلیاژ آلومینیوم ۵٠٨٣ برابر ١٣۶ مگاپاسکال است که از آزمایش فشردن بدست آمده است . پارامترهای B و n که مربوط به تاثیر کرنش سختی بر تنش جریان هستند، از برازش معادله توانی (با حذف کروشه مربوط به نرخ کرنش ) روی منحنی تنش -کرنش بدست آمده از تست های فشردن با روش حداقل مربعات محاسبه میشوند. ضرایب بدست آمده برای آلیاژ آلومینیوم ۵٠٨٣ عبارتند از ٠٢٠٢=n و ١٢١.٢ =B مگاپاسکال .
خطی بودن تاثیر عبارت دما نرمی (یعنی ١=m) در معادله جانسون – کوک توسط تعداد زیادی از محققان پیشنهاد شده است [١٣-١۶]. آن ها طی محاسبات تئوریک و همچنین مدل سازی تحلیلی خود نشان داده اند که انتخاب m برابر با یک ، نتایج مطلوب و قابل قبولی در خصوص برآورد تنش سیلان حاصل میسازد. جانسون و کوک نرخ کرنش مرجع را نرخ کرنشی معرفی کرده اند که تست کشش شبه استاتیک ماده برای تعیین تنش تسلیم آن ، تحت این نرخ کرنش صورت گرفته باشد و از این جهت این پارامتر برابر ١-S ٣-١٠×٢ انتخاب شده است [١٧].

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 19 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد