بخشی از مقاله
تاثیر تعداد اینسرت ها روي عمر ابزار در فرزکاري فولادها
چکیده
یکی از پارامترهاي مهم در فرزکاري عمر ابزار است که در هزینه تولید قطعات نقش بسزایی دارد. معمولا آزمایش هاي عمر ابزار براي تعیین رفتار یک یا چند اینسرت روي ابزار به منظور بهینه کردن کارایی ماشین کاري و حداقل کردن هزینه انجام می شود. در فرزکاري این آزمایش ها پرهزینه است و نیاز مند تعداد زیادي از اینسرت ها و قطغه کار است. در این آزمایش ها معمولا به خاطر حداقل کردن هزینه از ابزارهاي تک اینسرتی یا با تعداد اینسرت کم استفاده می شود. هدف این مقاله بررسی تاثیر تعداد ابزارها در عملیات فرزکاري و ارتباط آن با عمر ابزار در یک شرایط خاص برش می باشد. براي ابزار هاي فرز پیشانی تراش، منحنی سایش پهلو براي دو ابزار فولادي AISI 1045 و AISI 8640 در تعداد انسرت هاي 1، 2، 3 و 6 ارزیابی شده است. نتایج نشان می دهد کاهش تعداد اینسرت ها باعث کاهش حجم براده برداري شده و همچنین باعث افزایش عمر ابزار در سرعت پیشروي به ازاي هر دندانه ثابت، می شود. نتایج براي تعداد اینسرت هاي کم اسخراج شده اند، بنابراین براي مقایسه بین دو حالت متفاوت می تواند بکار گرفته شود نه براي تعیین عمر ابزار.
واژههاي کلیدي: فرز کاري – اینسرت – سایش – دما – عمر ابزار
-1 مقدمه
بهترین شرایط ماشین کاري به ابزار برش، قطعه کار، دستگاه، روانکارهـا و پارامترهاي ماشین کاري بستگی دارد، بنابراین آزمایش هـاي قابلیـت ماشین کـاري امـري ضـروري اسـت. پیشـنهادهاي ارائـه شـده توسـط سازندگان باید فقط به عنوان یک راهنما مورد استفاده قرار گیرند چونکه ممکن است به شرایط بهتري در ابزارهاي دیگر و یـا پارامترهـاي دیگـر دست یافت. آزمایش هاي قابلیت ماشین کاري براي هر عملیاتی بدلیل منافع اقتصادي که می تواند داشته باشد براي صـنایع سـاخت و تولیـد حجم عملیات ماشین کاري بسیار زیادي دارنـد، بسـیار قابـل اهمیـت است.[1]
امروزه استفاده از اینسرت هاي قابل تعویض در عملیات فرزکاري بسـیار متداول شده است. ابزارهاي برشی فرزکاري که به صورت تجـاري قابـل دسترسی هستند مختلفند و شـامل 4، 6، 8، 64،10 و تعـداد بیشـتري اینسرت بر روي ابزار هستند. هزینه آزمایش هاي ماشـین کـاري بـراي تعیین عمر ابزار قابل قبول خیلی مهم است به خصوص زمانی که تعداد اینسرت هاي زیادي روي یک ابـزار اسـتفاده شـود. هزینـه بـالاي ایـن آزمایش ها فقط به خاطر استفده از تعداد اینسرت هاي زیاد نیست بلکه دلیل اصلی آن اینست که به حجم بالایی از قطعـات بـراي رسـیدن بـه مقادیر تعیین شده براي معیارهاي عمر ابزار نیـاز اسـت. وقتـی قطعـات گران قیمت باید مورد آزمایش قرار گیرند هزینه آزمـایش هـاي تعیـین عمر ابزار بسیار مهم تر می شـود. بـه عنـوان مثـال در قطعـاتی ماننـد تیتانیوم، فولاد زنگ نزن، کامپوزیت ها و ...
در عمل، معمولا آزمایش هاي ارزیابی ابزار براي ابرارهاي با ظرفیت زیاد نیز با تعداد اینسرت کم بر روي یک ابزار و با ثابت نگـه داشـتن مقـدار پیشروي به ازاي یک دندانه امجام می گیرد. این کار براي شـبیه سـازي یک شرایط ماشین کـاري واقعـی یعنـی شـرایطی کـه از کـل ظزفیـت اینسرتی ابزار استفاده شده است، بکار گرفته می شود؛ با این کار هزینـه ها را کاهش می دهند. محدودیت هایی براي پذیرش نتایج این آزمایش ها وجود دارد، زیرا دینامیک فرآیند ماشین کاري با تغییر تعداد اینسرت ها کاملا تغییر خواهد کرد. مکانیزم هاي سایش، تنش ضربه اي، شکست مکانیکی و شکل گیري ترك هاي حرارتی در این آزمایش ها نمی تواند با شرایط واقعی یکسان باشد.[2,3]
این مقاله تاثیر تعداد اینسرت ها بر روي عمر ابزار را در فرز کاري فولاد با ابزار هاي پوشش دار و غیر پوشش دار بررسی کرده است.
-2 روش تحقیق
فولاد AISI 1045 با سختی میانگین 229 برینـل 500*76/2*76/2) میلــی متــر) و فــولاد AISI 8640 بــا ســختی میــانگین 299 برینــل 490*110*110)میلی متر) روي یـک دسـتگاه CNC ماشـین کـاري شده اند. ترکیـب شـیمیایی فولادهـاي AISI 1045 و AISI 8640 بـه ترتیب در جـداول (1) و (2) آورده شـده اسـت. در همـه آزمـایش هـا صرفنظر از تعداد اینسرت هـا روي ابـزاراز یـک پیشـروي بـه ازاي هـر دندانه( ) ثابت بهره گرفته شده است. براي دسترسـی بـه ایـن گفتـه چنین عمل شده است که سرعت پیشروي کل متناسب با تعداد اینسرت ها انتخاب شده است؛ براي مثال سرعت پیشروي براي ابزار 6 اینسـرتی 2 برابر ابزار 3 اینسرتی، 3 برابـر ابـزار 2 اینسـرتی و 6 برابـر ابـزار تـک اینسرتی انتخاب شده است. در همه آزمایش هاي ماشین کـاري از یـک عمق برش یکسان به مقدار 1 میلی متر استفاده شده است.
ا
ابتدا فولاد AISI 1045 با یک ابزاري کـه داراي ظرفیـت 6 اینسـرت و قطر 100 میلی متر می باشد، ماشین کاري می شود. شـکل شـماتیک ابزار برش با زاویه خروج 40 درجه از قطعه کار در شکل (1) نشان داده شده است. در این آزمایش از اینسرت سمنتیت کارباید که داراي علامت ISO به صورت SPUN 12 03 08 است و لایه P30 استفاده شده است. هندسه نهایی انسرت ها در اثر ماشین کاري برابر است با:
این آزمایش ها با تعداد اینسرت هاي 1، 2 (با زاویه 180 درجه)، 3 (بـا زاویه 120 درجه) و 6 (با زاویه 60 درجـه) روي ابـزار بـا سـرعت هـاي برشی 300، 325 و 350 متر بر دقیقه و سرعت هاي پیشروي 0/075، 0/100 و 0/125 میلی متر به ازاي هر دندانه اجـرا شـده انـد. ترکیـب پارامترها در نهایت منجر به 36 آزمایش می شود.
فولاد AISI 8640 نیز با یک ابزاري که داراي ظرفیت 6 اینسرت و قطر 80 میلی متر می باشد، ماشین کاري می شود. شکل شماتیک موقعیت قرار گیري ابزار نسبت به قطعه کار در شکل (2) نشان داده شده اسـت. زاویه خروج ابزار 90 درجه مـی باشـد. اینسـرت کاربایـدي پوشـش دار که داراي علامت ISO به شکل SEMN 12 04 AZ است با لایه P45 و M35 استفاده شده است. هندسه نهایی اینسـرت هـا بعـد از ماشـین کاري برابر است با:
براي فولاد AISI 8640 نیز آزمایش ها با تعداد اینسرت هاي 1، 2، 3 و 6 و با سرعت برشی 200 متر بر دقیقه و سرعت پیشروي 0/150 میلـی متر به ازاي هر دندانه اجرا شده است. ایـن ترکیـب پارامترهـا شـامل 4 آزمایش می شود که براي صحه گذاري بر نتایج بدسـت آمـده از فـولاد AISI 1045 اجرا می شوند.
در اجراي هر یک از آزمایش ها سایش پهلوي (VB) ابزار در فواصل منظم در حین ماشین کاري اندازه گیري می شود تا اینکه به 0/7 میلی متر برسد. سایش پهلویی با میکروسکوپی که بزرگنمایی 40 برابر دارد اندازه گیري میشود که دیگر لزومی به جدا کردن اینسرت از ابزار نمی باشد.
-3 نتایج
نمودارهاي سایش پهلویی بـراي فـولاد AISI 1045 در مرحلـه اول بـا تغییر تعداد اینسرت ها روي ابزار، سرعت بـرش و سـرعت پیشـروي بـه ازاي هر دندانه ارزیابی می شود. شکل هاي (3) تا (8) مـاکزیمم مقـدار منحنی سایش پهلو را در شرایط برشی متفاوت نشان می دهند. سرعت سایش پهلویی متفاوت براي تعداد اینسرت هاي 1، 2، 3 و 6 روي ابـزار در این شکل ها کاملا آشکار شده است. با فرض اینکه با افـزایش تعـداد اینسرت ها روي یک ابزار دماي برش افزایش می یابد، می توان گفت که این رفتار می تواند ناشی از 2 عامل حرارتی باشد. اولی، کاهش استحکام قطعه کار در اثر افزایش دما که فرآیند ماشین کاري را آسان می کند و دومی ارتباط حرارتی با مکانیزم هاي برش است که باعث کـاهش عمـر ابزار می شود. در هر دو مورد، کمترین طول عمـر ابـزار زمـانی بدسـت آمده است که از 6 اینسرت روي ابزار استفاده شده اسـت. ایـن شـرایط، ماشین کاري مواد با فرکانس بـالا را میسـر مـی سـازد و باعـث ایجـاد دماهاي بالا در قطعه کار در اثر تولید گرما می شود که فرآینـد ماشـین کاري را آسان می سازد. ایجاد دماي بالا در ابزار با فعال کردن مکانیزم سایشی حرارتی بـا عـث کـاهش طـول عمـر ابـزار مـی شـود. تحلیـل نمودارهاي شکل هاي (3) تا (8) نشان می دهد که ماشین کاري با ابزار 6 اینسرتی سایش ابزاري بیشتري حاصل می کند که می توان به تولید دماي برش بالا نسبت داد.
بالاترین عمر ابزار زمانی حاصـل مـی شـود کـه از ابـزار تـک اینسـرتی استفاده شود که می تواند ناشی از این باشد که این ابزار کمترین زمـان فعال سیکل ابزار را در مقایسه با زمان غیر فعال سـیکل دارد (کمتـرین فرکانس برش)، که این خود باعث دماي برشی کمتر در مقایسه با دیگر ابزارهاي آزمایشی می شود. همچنین در این شرایط آزمـایش کمتـرین کــاهش اســتحکام قطعــه کــار را خــواهیم داشــت. بنــابراین ســرعت پیشرویتنظیم شده نیز کمتر است و باعث می شود که دماي قطعه کـار پائین نگه داشته شود. دماي برش کم همچنـین فعـال شـدن مکـانیزم شایشی حرارتی را در حین ماشین کاري به حداقل می رسـاند. در ایـن مورد کاهش سـایش در اثـر کـاهش دمـاي برشـی، بیشـتر از افـزایش استحکام کششی قطعه کار است در نتیجه عمر ابزار بهبود می یابد.
مقایسه نتایج آزمایش هایی که داراي پیشروي به ازاي یک دندانه ثابـت و سرعت هاي برشی متفاوت هستند تاثیر دماي برشی را بهتر نشان می دهد (براي مثال مقایسه شکل (3) با (6) یا مقایسه شـکل (4) بـا .((8) وقتی ماشین کاري با ابزار تک اینسرتی انجام می گیـرد، عمـر ابـزار در سرعت هاي برشی بالا کاهش می یابد. این نشان مـی دهـد کـه فعـال شدن مکانیزم سایشی حرارتی بعد از تجاوز از یک سرعت برشی بحرانی شروع می شود. بـراي ابزارهـاي فرزکـاري بـا تعـداد اینسـرت 2، 3 و 6 کاهش عمر ابزار در سرعت هاي برشی بالا خیلی آهسته است؛ که از این عامل می توان نتیجه گرفت که فعال شدن مکـانیزم سایشـی حرارتـی، مستقل از سرعت برشی بدلیل فرکانس برشی بـالا صـورت مـی گیـرد. عملیات فرزکاري پیچیدگی زیادتري از آنالیز سایش ابزار و گـرم شـدن قطعه کار در طول فرآیند ماشینکاري دارد که با مشاهده شکست خیلی از لبه هاي ساییده شده ابزارکه روي کارآیی ابزار تاثیر دارد، می توان به این واقعیت پی برد. ترك هاي حرارتی بر روي ابزار هاي سـاییده شـده مشاهده می شود که می تواند ناشی از مکانیزم هاي خسـتگی حرارتـی باشد. که این نیز به نوبه خود باعث ترد شدن ابـزار و شکسـت زودتـر از موقع آن در حین ماشینکاري مـی شـود. وقتـی از ابزارهـاي بـا تعـداد اینسرت زیاد استفاده می شود به منظور ثابت نگه داشـتن پیشـروي بـه ازاي یک دندانه، سرعت پیشروي بالا در نظر گرفته مـی شـود کـه ایـن باعث افزایش طول ماشینکاري شده می شود که به صورت شماتیک در شکل (9) نشان داده شده است. این افزایش طول برش می تواند باعـث کاهش عمر ابزار شود.
جدول (3) نتایج عمر ابزار و حجم مـاده برداشـته شـده را در فرزکـاري فولاد AISI 1045 در شرایط ماشین کاري متفاوت را نشان مـی دهـد. عمر ابزار با افزایش سرعت برشی و افزایش پیشروي به ازاي یک دندانـه کاهش می یابد. همچنین با توجه به این جدول مشاهده می شـود کـه افزایش سرعت برشی و مقدار پیشروي به ازاي هر دندانه علاوه بر ایجـاد ضربات مکانیکی شدید، از طریق ایجاد حرارت باعث تسریع فعال شـدن مکانیزم هاي سایشی می شود. که این باعث افـزایش گرادیـان حرارتـی می شود در نتیجه در اثر افزایش سرعت تولید ترك هاي حرارتی, عمـر ابزار کاهش می یابد.[4]
