مقاله بررسی نیروی برش در فرآیند ماشین کاری دو بعدی آلیاژ آلومینیوم 6061T6

بخشی از مقاله

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

بررسی نیروي برش در فرآیند ماشین کاري دو بعدي آلیاژ آلومینیوم 6061T6

چکیده

نیروي برش مهمترین پارامتر در فرآیند ماشین کاري است. به دلیل اهمیت این نیرو در تعیین توان مصـرفی فرآینـد براده برداري، روش هاي تجربی و تئوري براي تعیین آن توسعه یافته انـد. در ایـن مقالـه روش تفکیـک انـرژي بـه عنوان یک روش ساده ي عملی براي محاسبات نیروي برش و انرژي مصـرفی در فرآینـد ماشـین کـاري دو بعـدي آلیاژ آلومینیوم 6061T6 به کار گرفته شد. نیروهاي برش محاسبه شده با نتایج تجربی به دسـت آمـده تحـت شـرایط مختلفی از سرعت براده برداري و زاویه ابزار همخوانی خوبی نشان می دهند.

واژه هاي کلیدي: ماشینکاري، نیروي برش، توان مصرفی.

-1 مقدمه

از آنجا که نیروي برش با توان مصرفی در ارتباط است، تعیین آن در فرآیند ماشینکاري ضـروري اسـت. بـا توجه به اینکه بسیاري از کارخانه جات و کارگاه ها براي اندازه گیري نیـروي بـرش تجهیـزات لازم را ندارنـد و بسیاري از نیرو سنج ها (dynamometers) کـه در ایـن زمینـه اسـتفاده مـی شـوند بـه خـوبی کـالیبره نشـده انـد، بنابراین روش هاي تئوري در تعیین آن توسعه یافته اند .[1]

در مبحث تئوري اگر چه تعدادي از مدل هاي شناخته شده در این زمینه وجود دارد، اساس محاسبات نیـرو و انرژي بر پایه ي مدل صفحه ي برش منفرد است که به طور کلی در قرن 19 ارائه شده است و به دلیل سـادگی در یاد دادن، یاد گرفتن و همچنین روابط ساده در محاسبه ي نیـرو و انـرژي لازم بـراي بـرش، هنـوز هـم اولـین انتخاب براي کتاب هاي مرجع دانشگاهی است. هرچند این مدل بیانگر شرایط ایده آل بـرش اسـت ولـی توجـه نشده که این ایده آل سازي چقدر از واقعیت انحراف دارد .[2]

نظریه ي تکمیلی صفحه ي برش منفرد که توسط ارنست ومرکانـت در سـال 1945 ارائـه شـده و بـر اسـاس نظریه حداقل انرژي مصرفی در ناحیه تغییر شکل مقابل نوك ابزار مورد بررسی قرار گرفته است. بـراده در واقـع در اثر تغییر شکل برشی ماده خام در ناحیه بسیار نازك (صفحه ي برش) که از نوك ابزار تا سطح بیرونـی قطعـه کار کشیده شده است، تولید و از قطعه کار جدا می شود، این صفحه اي که تمام تغییر شکل بر روي آن متمرکز میشود را صفحه ي برش، و زاویه اي کـه بـا امتـداد بـراده بـرداري مـی سـازد را زاویـه ي بـرش (shear angle)می نامند .[3]

شکل.1 الف- دیاگرام نیروهاي براده برداري بر اساس مدل مرکانت و ب- دایره ي نیروهاي مرکانت .[4]
نیروي برشی که توسط ارنست و مرکانت ارائه شد عبارت است از:


در این رابطه y استحکام برشی قطعه کار، Ac سطح مقطع براده و زاویه ي برش است. بر اساس تئوري ارنست و مرکانت زمانی که تنش برشی بر روي صفحه ي برش به استحکام برشی ماده برسد، قطعه کار تغییر فرم می دهد. بعدها در مقالات نشان داده شد که y بایستی تنش سیلان برشی باشد که تا حدودي از استحکام برشی
ماده بالاتر و وابسته به شرایط خاص براده برداري است. بر اساس مدل ارنست و مرکانت در شکل (1)

که  زاویه ي بین نیروي برآیند با سطح سیلان ابزار و  زاویه نوك ابزار است.


و با جایگزاري Fs از رابطه((1 نیروي برش به دست می آید .[3

و توان لازم براي براده برداري از رابطه ي زیر محاسبه می شود.در این رابطه v سرعت برش است. زورِو [5] نشان داده است که تحلیل مرکانت از نیروها با نتایج آزمایشگاهی به ویژه در سرعت هاي پائین براده برداري مغایرت دارد.

روش پیشرفته ي برش فلز براي محاسبات عملی نیروي برش و انرژي مصرفی در فرآیند ماشین کاري بر اساس تئوري برش ارائه شده توسط آستاخو و مدل تفکیک انرژي در سیستم برش، یک رویکرد پیشرفته ارائه کرده است .[4] و در این مقاله از این روش براي محاسبه نیروي برش و مقایسه آن با نتایج تجربی استفاده شده است .

-2 مواد و روش تحقیق

در این مقاله از روش پیشرفته برش فلز در تخمین نیروي برش در فرآیند ماشین کاري دو بعدي آلیاژ آلومینیوم 6061T6 استفاده شده است. ابزار از جنس فولاد تندبر DIN 4964 با استحکام برشی 200 MPa

مورد استفاده قرارگرفت . به منظور ایجاد شرایط دوبعدي در فرآیند برش، لوله هایی به قطر داخلی 32 mm و

ضخامت جداره ي 5/5 mm تهیه شد و با استفاده از ابزار تیز شده پیش از هر مرحله ، تحت فرآیند پیشانی تراشی قرار گرفت. خواص مکانیکی قطعه کار و شرایط ماشینکاري به ترتیب منطبق بر جداول 1 و 2 است.

نیروهاي برش به وسیله ي نیرو سنج کیستلر مدل 9257 B ، اندازه گیري شدند.

-3 نتایج و بحث
-1-3 تئوري
روش پیشرفته توان مصرفی فرآیند براده برداري را مجموعی از چهار جزء در نظر می گیرد:

- توان مصرفی در تغییر فرم پلاستیک لایه اي که برداشته می شود.
- توان مصرفی در سطح تماس ابزار و براده.
- توان مصرفی در سطح تماس ابزار و قطعه کار.
- توان مصرفی براي ایجاد سطح جدید (انرژي چسبندگی).

بر اساس این مدل، تعادل توان در سیستم برش را می توان به صورت زیر نوشت


در این رابطه Ppd توان مصرفی در تغییر فرم پلاستیک، PfR توان مصرفی درسطح تماس ابزار و قطعه کار، PfF
توان مصرفی در سطح تماس ابزار و قطعه کار و Pch توان مصرفی براي ایجاد سطح جدید است. توان مصرفی در تغییر فرم پلاستیک لایه هایی که برداشته می شود ( ( Ppd را می توان با داشتن نسبت تراکم براده (chip compression ratio) و رابطه ي توانی تنش سیلان بر اساس رابطه ي زیر محاسبه کرد.

در این رابطه K ضریب استحکام ( Pa )، n توان کارسختی،  نسبت تراکم براده وAw مساحت مقطع
براده ي جدا نشده ( ( m2 است 2]و.[1

که t1 و t2 به تریب ضخامت براده جدا نشده و ضخامت براده، dw عمق برش ( ( m و f بار دهی به ازاء یـک
چرخش ( ( m rev است2]و.[1
توان مصرفی در نتیجه اصطکاك در سطح تماس ابزار و براده در شرایط ماشین کـاري متعامـد، از رابطـه ي زیر محاسبه می شود .[1]


که c تنش برشی متوسط در سطح تماس ابزار و براده که استحکام نهایی تسلیم کششی قطعه کار ( ( Pa است.) وlc طول تماس براده با ابزار( ( m است. که طول تماس ابزار با براده در شرایط ماشینکاري متعامد از رابطه ي زیر محاسبه می شود .[2]

توان مصرفی در نتیجه ي اصطکاك در سطح تماس ابـزار بـا قطعـه کـار بـر اسـاس رابطـه ي زیـر محاسـبه
می شود.

که FfF نیروي اصطکاك در سطح تماس ابزار با قطعه کار است.

در این رابطه y استحکام برشی ابزار ( شعاع لبه ي برش، * زاویه ي پشتی ابزار و Br معیار تشابه بریکس است که از رابطه ي زیر محاسبه می شود.

توان مصرفی در تشکیل سطوح جدید Pch از ضرب انرژي لازم براي تشکیل یک صفحه ي برش در فرکانس تشکیل صفحات برش به دست می آید .[1]

فرکانس تشکیل براده، به معنی تعداد صفحات برش تشکیل شده بر ثانیه و E fr انرژي شکست در هر

صفحه ي برش است. فرکانس تشکیل براده بیان می کند که چه تعداد صفحه ي برش در هر ثانیه از زمان ماشینکاري تشکیل می شود. این فرکانسعمدتاً به ماده ي قطعه کار و سرعت برش وابسته است .[2]
انرژي شکست در یک صفحه ي برش عبارتست از:

که E fr _U انرژي شکست بر واحد سطح است .[7]
مساحت سطح شکست همان مساحت صفحه ي برش است که عبارتست از:

که Lsh طول صفحه ي برش است.[1]

تأثیر لبه ي برش ثانویه بر روي نیروي برش و توان مصرفی به ندرت در تحقیقات در نظر گرفته شده است.

امروزه عملیات ماشین کاري و حتی مشاهدات ساده در تشکیل براده در فرآیندهاي رایج ماشین کاري نشان می دهد که لبه ي براده تشکیل شده به و سیله ي لبه ي برش ثانویه ابزار همواره بیشتر تغییر فرم می یابد و رنگ تیره تري دارد1]زورِ.[و [5] جزئیات تشکیل براده توسط لبه ي برش ثانویه را ارائه کرده است.آنالیز بخ ش اعظم نتایج تجربی به دست آمده توسط زورِو [5] و آستاخو 4]و[2 نشان می دهد هنگامی که زاویه ي لبه ي برش ثانویه بین 30 تا 45 درج ه باشد ، توا ن کل بایستی 14% افزایش یابد و چنانچه بین 15 تا 30 درجه باشد توان کل 17%، بین 10 تا 15 درجه توان کل 20% و کمتر از 10 درجه توان کل 23% اف زایش می یابد.

- 3-2 نتایج تجربی
داده هاي مربوط به فرکانس تشکیل صفحات برش در سرعتهاي مختلف برش در جد ول 2 آورده شده است.