بخشی از مقاله
چکیده
عملیات های گوناگون ماشینکاری موجب اعمال تنشهای شدید مکانیکی و حرارتی بر روی قطعات ماشینکاری شده میگردند که منجر به تغییر شکل پلاستیک غیر یکنواخت و اعمال حرارت بسیار بالا در لایه های سطحی مواد شده و باعث به وجود آمدن تنش های پسماند در این قطعات میشوند. وضیعت تنش پسماند در یک قطعه میتواند به طور قابل توجهای بر افزایش و یا کاهش عمر خستگی، استحکام دینامیکی، خواص تیربولوژی، مقاومت به خوردگی و همچنین به وجود آمدن اعوجاج در ابعاد هندسی آن تاثیر گذار باشد.
تنشهای به وجود آمده علاوه بر هندسه و جنس قطعات و فرایندهای اولیه تولید مواد به طور قابل توجهی به پارامترها و شرایط ماشین - کاری و هندسه ابزار وابسته هستند. در این تحقیق از یک مدل سه بعدی المان محدود برای بررسی تاثیر پارامترهای ماشینکاری و هندسه ابزار بر تنشهای پسماند به وجود آمده در تراشکاری یک قطعه جدارنازک از جنس AL2024 استفاده شده است. در مدل تحلیل شده مسائل حرارتی نیز در نظر گرفته شده است. نتایج حاصل از شبیهسازی با اندازهگیریهای تجربی موجود در مقالات معتبر مورد مقایسه قرارگرفته است که نشانگر تطابق مناسب با نتایج تجربی میباشد. نتایج حاصل از شبیهسازی بیانگر رابطه مستقیم تنش پسماند با نیروی ماشین کاری و حرارت ایجاد شده در سطح میباشد.
کلمات کلیدی: تنش پسماند، تراشکاری ، پارامترهای ماشینکاری و ابزار، آلیاژهای آلومینیم
مقدمه
تنشهای پسماند به صورت تنشهای که در غیاب نیروها و گشتاورهای مکانیکی و همچنین گرادیانهای حرارتی در قطعات حضور دارند، تعریف میشوند. این تنشها میتوانند به طور قابل توجهی بر افزایش و یا کاهش عمر خستگی، استحکام دینامیکی، خواص تیربولوژی و مقاومت به خوردگی قطعات تاثیر گذار باشند. نحوه تاثیر گذاری این تنشها به مقدار، نحوه توزیع و ماهیت تنشهای پسماند موجود در قطعات وابسته میباشد
- . - 1 همچنین اعوجاج به وجود آمده در قطعات ماشین کاری شده تابعی از تنشهای پسماند موجود در قطعات و همچنین تنشهای اعمال شده در طی فرایند ماشینکاری میباشد. این تنشها به ویژه در اعوجاج به وجود آمده در قطعات جداره نازک از جنس آلیاژهای آلومینیم نقش به سزایی دارند
- . - 2 تنشهای پسماند میتوانند بر اثر اعمال بارهای مکانیکی و یا حرارتی در قطعات، که موجب تغییر شکل پلاستیک غیر یکنواخت در لایه های سطحی مواد میگردند به وجود آیند. در عملیات های ماشینکاری بارهای مکانیکی و حرارتی به صورت همزمان بر قطعه اعمال میشوند. به طور کلی بارهای مکانیکی اعمال شده از طریق ابزار بر سطح قطعه باعث تغییرپلاستیک غیر یکنواخت در لایه های سطحی مواد گشته و در نهایت منجر به تشکیل تنشهای پسماند فشاری ویا کششی در سطح میگردند. از طرف دیگر گرادیان شدید حرارتی ایجاد شده در ناحیه برش که ناشی از اصطکاک و تغییر شکل میباشد باعث اعمال شوکهای شدید حرارتی و انبساط موضعی سطح ماشینکاری شده میگردد که منجر به تشکیل تنشهای پسماند کششی میشود
- . - 3 یکی دیگر از مکانیزمهای ایجاد تنش پسماند در قطعات ماشینکاری شده در صورتی که حرارت ایجاد شده به اندازه کافی بالا باشد، تغییر فاز ساختار فلز ماشینکاری شده میباشد. در صورتی که تغییر فاز با افزایش حجم همراه باشد تنشهای فشاری و در صورتی که با کاهش حجم همراه باشد تنشهای کششی در سطح ایجاد میگردد
- . - 4 حالت نهایی تنش پسماند ناشی از اثر متقابل و بسیار پیچیده این سه مکانیزم بر هم است و منجر به تشکیل یک لایه بسیار نازک - درحدود150 میکرومتر - ، با سطح بسیار بالایی از تنش پسماند در سطح ماشینکاری شده میشود - . - 4 شکل 1 مکانیزم های ایجاد تنش پسماند در ماشینکاری را نمایش میدهد.با توجه به مکانیزمهای ایجاد تنش پسماند در ماشینکاری، میتوان نتیجه گرفت که با بهینهسازی شرایط برش جهت کاهش حداکثری نیروهای ماشینکاری و همچنین حرارت ایجاد شده در طی فرایند، میتوان به طور قابل ملاحظهای سطح تنشهای پسماند ایجاد شده در قطعات را کاهش داد. پیشبینی و بررسی تنشهای پسماند در فرایندهای ماشینکاری یکی از موضوعات مورد توجه پژوهشگران از دهه 1950 بوده است. روشهای استفاده شده بدین منظور شامل آزمایشهای تجربی، مدلهای تحلیلی، مدلهای هوش مصنوعی، مدلهای المان محدود و ترکیبی از روشهای مختلف بوده است
- . - 5 در چند دهه اخیر به علت افزایش سریع و چشمگیر قدرت محاسبه سختافزارها و همچنین محدودیتهای متعدد در اندازهگیری تنشهای پسماند به روش تجربی، استفاده از مدلهای المان محدود جهت پیشبینی این تنشها و همچنین بهینهسازی شرایط ماشینکاری، افزایش یافته است. یکی از اولین مدل های المان محدود استفاده شده در این زمینه توسط - 6 - Okushima در دهه 1970 ایجاد شد و نتایج مدل با نتایج تجربی مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج تحقیق نشان داد که مدل های المان محدود میتوانند به عنوان ابزاری قدرتمند در پیش بینی تنشهای پسماند استفاده شوند و برای دستیابی به کمترین سطح تنش پسماند، بهینهسازی شرایط ماشینکاری ضرروی می باشد. - 7 -
Wiesner با استفاده از یک مدل المان محدود در شبیهسازی ماشینکاری فولاد AISI304 نشان داد که تشکیل تنشهای پسماند تابعی از بارهای مکانیکی و حرارتی میباشد و زاویه برش کمتر در ناحیه برش منجر به تشکیل تنشهای پسماند کششی میشود. - 8 - Hua با استفاده از یک مدل المان محدود در نرم افزار DEFORM تاثیر سرعت پیشروی، سختیقطعه کار و هندسه ابزار بر تنشهای پسماند را بررسی نمود. نتایج مدل بیانگر این بود که سرعت پیشروی بیشترین تاثیر را بر ایجاد تنشهای پسماند دارد و با افزایش سرعت پیشروی عمق و شدت تنشهای پسماند افزایش مییابد.همچنین آنها نشان دادن که شعاع و لبه بزرگتر در سر ابزار باعث افزایش میزان وعمق تنشهای پسماند فشاری میگردد. Liu و - 9 - Barash با بررسی تاثیر سایش بر ایجاد تنشهای پسماند نشان دادند که افزایش سایش ابزار در سطح آزاد باعث افزایش حرارت در سطح ماشین کاری شده و افزایش عمق تنشهای پسماند میشود. همچنین Tung و - 10 - Liu از یک مدل المان محدود سه بعدی برای مطالعه تنش پسماند در فرزکاری آلیاژ AL7050 استفاده کردند. بر اساس نتایج ارائه شده از مدل، افزایش سرعت برشی باعث افزایش تنشهای پسماند کششی در سطح میگردد و عمق نفوذ این تنش ها در این حالت کاهش مییابد.
مدل المان محدود در این مقاله از یک مدل المان محدود سه بعدی بر پایه کد Lagrangian implicit در نرم افزار DEFORM3D V6.1 جهت شبیهسازی فرایند تراشکاری یک قطعهکار جدارنازک از جنس AL2024 و بررسی اثر شرایط مختلف ماشینکاری و هندسه ابزار بر نیروی ماشینکاری و حرارت ایجاد شده در طی فرایند و همچنین پیش بینی تنش پسماند استفاده شده است. در مدل ایجاد شده از تکنیک المان بندی مجدد المانهای تغییر شکل یافته در ناحیه برش استفاده شده است که موجب افزایش دقت نتایج و کاهش زمان مورد نیاز جهت شبیه سازی میگردد. تعداد المان های استفاده شده در قطعه کار در حدود 89000 المانﻭ در ابزار 50000 المان می باشد. همچنین به منظور افزایش دقت نتایج از المانهای ریزتر در سطوح نزدیک به ناحیه برش ﻭ سر ابزار استفاده شده است. سطوح زیرین قطعه کار در تمامی جهات ثابت شدهاند و شرایط مرزی حرارتی به صورتی در نظر گرفته شده است که انتقال حرارت از قطعه کار به ابزار امکان پذیر باشد.
در مدل ایجاد شده دو منبع حرارت در نظر گرفته شده است: -1 حرارت ناشی از لغزش براده بر سطح قطعه کار. -2 حرارت ایجاد شده به علت تغییر شکل پلاستیک در ناحیه برش. حرارت ایجاد شده در ناحیه برش به میزان زیادی به شرایط اصطکاکی و همچنین سایش در سطح آزاد ابزار بستگی دارد. همچنین در حدود 90 درصد کار انجام شده در طی تغییر شکل در ناحیه برش به گرما تبدیل میشود - . - 11 از مدل - Usui معادله - 1 جهت تعیین نرخ سایش در ابزار و اعمال تاثیر آن در شبیهسازی استفاده شده است. در این مدل نرخ سایش در ابزار تابعی از فشار وارد شده در سطح ابزار ، سرعت لغزش vrel و حرارت ایجاد شده بین ابزار و برادهT میباشد. A و B ضرایب تجربی هستند که بر اساس آزمایشهای تجربی در تعیین میزان سایش ابزار و مقایسه با نتایج شبیه سازی به دست میآیند - . - 12 ضریب اصطکاک در تمامی آزمایشها 0.6 در نظر گرفته شده است. همچنین از اطلاعات موجود در نرم افزار برای مدل سازی آلیاژ AL2024 استفاده شده است.
طراحی آزمایش ها
پارامترهای سرعت برش، سرعت پیشروی و زاویه براده در طی شبیهسازی به عنوان پارامترهای متغیر در نظر گرفته شدهاند. اثر هر پارامتر بر نیروی ماشینکاری، حرارت ایجاد شده در طی فرایند، میزان و نحوه توزیع تنشهای پسماند بررسی شده است. نتایج تحقیقات انجام شده توسط برخی از پژوهشگران نشانگر این است که تاثیر مستقیم عمق برش بر میزان ونحوه توزیع تنش های پسماند در مقایسه با پارامترهای دیگر ناچیز میباشد - . - 13 براین اساس بررسی تاثیر عمق برش در آزمایشها
