بخشی از مقاله
چکیده
یکی از شاخه هاي نسبتاً جدید علم مکانیک که می تواند در پیش بینی شکست و گسیختگی مواد به کار رود، مکانیک آسیب است.
آسیب، فرآیند فیزیکی پیشرونده اي است که در اثر آن مواد دچار شکست می گردند. در این تحقیق ابتدا، با استفاده از روش اجزاء محدود و معیار آسیب برشی هوپیوترا١، فرایند صفحه تراشی به صورت دو بعدي و سه بعدي شبیه سازي می گردد. سپس، میزان پارامتر آسیب در داخل قطعه کار در خلال براده برداري پیوسته در فرآیند به دست می آید. در آخر، تاثیر عواملی مانند سرعت پیشروي تیغه ابزار، زاویه آن و اصطکاك بر روي مقادیر نیروهاي وارد بر تیغه ابزار تعیین گردیده و حالات بهینه مشخص می شوند.
مقدمه
تغییر شکل بسیار زیاد ماده در فرایند براده برداري باعث ایجاد نرخ کرنش ها و تنش هاي بسیار زیادي در قطعه کار گردیده و ماشین کاري را به فرایند فیزیکی پیچیده و بسیار غیر خطی براي شبیه سازي عددي تبدیل نموده است. یکی از روش هاي پرکاربرد تحلیل عددي که توسط محققین براي بررسی فرایند ماشین کاري به کار رفته، روش اجزاء محدود است. به کمک این روش می توان با تغییر پارامترهایی چون هندسه ابزار، پیشروي و سرعت برش، مقادیر نیروهاي برشی، سایش ابزار و تنش هاي پسماند در قطعه را پیش بینی نمود. مدل هاي پلاستیک و آسیب از جمله مهم ترین ملزومات شبیه سازي فرآیند ماشین کاري به روش اجزاء محدود می باشند.
مدل پلاستیک ماده، تغییرات تنش سیلان را نسبت به کرنش، نرخ کرنش و دما نشان می دهد. اما براي کامل کردن مدل پلاستیک باید مدل آسیب هم ارائه شود تا گسیختگی ماده نیز قابل پیش بینی باشد. آسیب، ضعیف شدن ماده را بیان می کند که در نتیجه، این تضعیف باعث کاهش مدول الاستیسیته در ناحیه الاستیک، تنش تسلیم و دیگر خواص ماده می شود.[1] بنابراین المانی که مقدار آسیب در آن به مقدار آسیب بحرانی می رسد، به صورت براده از قطعه جدا می شود.
فرآیند صفحه تراشی یک فرآیند ساده تراش است که توسط آن سطوح صاف و همچنین انواع سطح مقطع ها با شیارها و دندانه ها، در امتداد قطعه تولید می شوند. در سال 1974 عبدل منعم٢ و همکارش، تغییر شکل پلاستیک و تنش هاي پسماند در فرایند پرداخت سطوح فلزي را مورد بررسی قرار دادند .[2] در این تحقیق، برش متعامد در فرآیند پرداخت قطعاتی از جنس آلومینیوم، روي و برنز، با سرعت هاي مختلف تیغه ابزار و استفاده از روان کار تترا کلریدکربن مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده با روابط تجربی که بر اساس فرض توزیع یکنواخت تنش هاي برشی و فشاري به دست آمده، تطابق دارد.
در سال 2002 ایوجن٣ و همکارش، برش متعامد فولاد ابزار عملیات حرارتی شده AISI H13 را با استفاده از معیار شکست برشی مورد بررسی قرار دادند .[3] ایشان نتایج حاصله را با اطلاعات تجربی مقایسه نموده و اعتبارسنجی کردند.
در سال 2004 ازل٤ با استفاده از شبیه سازي اجزاء محدود، تاثیر اصطکاك را مورد بررسی قرار داد .[4] در این تحقیق، از روش لاگرانژ به روز شده براي بیان مدل اجزاء محدود تشکیل براده در فرآیند برش متعامد فولادهاي خوش تراش استفاده شده است. توزیع تنش روي سطح زاویه دار تیغه ابزار با استفاده از چند مدل اصطکاکی مختلف به دست آمده و با نتایج تجربی مطابقت داده شده است.
در سال 2010 وزیري و همکاران، با توسعه مدل آسیب جانسون-کوك٥، جدا شدن براده از قطعه را مورد بررسی قرار دادند.[5] ایشان هم چنین، انباشت آسیب تا گسیختگی کامل در فرایند جدایش براده را به عنوان مبناي توسعه مدل آسیب در نظر گرفتند.
در این تحقیق ابتدا، با استفاده از روش اجزاء محدود و معیار آسیب برشی هوپیوترا، فرایند صفحه تراشی هم دما به صورت دو بعدي و سه بعدي شبیه سازي می گردد. سپس، میزان پارامتر آسیب در داخل قطعه کار در خلال براده برداري پیوسته در فرآیند به دست می آید. در آخر، تاثیر عواملی مانند سرعت پیشروي تیغه ابزار، زاویه آن و اصطکاك بر روي مقدار نیروي وارد بر تیغه ابزار تعیین گردیده و حالات بهینه مشخص می شوند.
معیار آسیب برشی هوپیوترا
معیار شروع آسیب برشی هوپیوترا، مدلی براي پیش بینی شروع آسیب مربوط به پهناي برش محلی است. این مدل فرض می کند که کرنش پلاستیک معادل در شروع آسیب، تابعی از نسبت تنش برشی و نرخ کرنش باشد. این معیار توسط هوپیوترا و همکاران در سال 2004 معرفی شده است .[6] در این معیار نسبت تنش برشی θs به صورت زیر تعریف می شود:
τmaxو σeq به ترتیب تنش برشی ماکزیمم و تنش معادل فون میز می باشند. بر طبق این مدل، کرنش پلاستیک معادل در شروع آسیب εeq** برابر است با:
εSو εS−، کرنش هاي پلاستیک معادل در شروع آسیب نرم براي کشش دو محوري یکسان و فشار دو محوري یکسان هستند. در معیار آسیب برشی هوپیوترا، چهار پارامتر ks ، εS، εS− و f وجود داردکه باید به صورت تجربی به دست آیند. این پارامترها تابع جنس ماده، نرخ کرنش و درجه حرارت می باشند.
از نمونه هاي کششی داراي شکاف - با مقطع مستطیلی و عمق نصف ضخامت - در جهت 45 درجه نسبت به جهت بارگذاري - با نسبت تنش برشی - 1.469 و نمونه هاي کششی با شکاف موازي جهت بارگذاري - با نسبت تنش برشی - 1.732 و آزمایش اریکسن - با نسبت تنش برشی - 1.6 می توان εS، εS− و f را به دست آورد. هوپیوترا و همکاران پارامترهاي فوق را براي فولاد AISI 1045، در دو حالت استاتیکی و دینامیکی تعیین نمودند 6] و.[7 جدول 1 خواص مکانیکی و پارامترهاي آسیب برشی را براي فولاد فوق بیان می کند.
جدول :1 خواص مکانیکی و پارامترهاي آسیب برشی فولاد AISI 1045
مدل سازي
فرآیند صفحه تراشی در دو حالت دو بعدي و سه بعدي در محیط نرم افزار ABAQUS شبیه سازي گردید. در حالت دوبعدي - کرنش صفحه اي - قطعه کار یک مستطیل به ابعاد 40mm در 8mm و عمق براده برداري 1mm در نظر گرفته می شود. در حالت سه بعدي، قطعه کار یک مکعب مستطیل به ابعاد 40*40*8mm و عمق برش 4*1mm می باشد. کلیه شبیه سازي هاي دو بعدي و سه بعدي براي دو زاویه ابزار متداول 5 - α - و -7 درجه، دو سرعت پیشروي متداول 3.3 و 5m/s و چهار ضریب اصطکاك متداول 0.5، 0.6 ، 0.7 و 0.8 انجام شده است. هم چنین براي اطمینان از صحت نتایج عددي حاصله و مستقل نمودن نتایج از اندازه المان و شبکه، همگرایی نتایج بر روي پارامتر آسیب و تنش معادل فون میز انجام گردیده است. در شبیه سازي دو بعدي از 4500 المان کرنش صفحه اي کاهش یافته CPE4R ودر حالت سه بعدي از 24000 المان C3D8R براي قطعه کار استفاده شده است.
نتایج عددي
با اعمال خواص فیزیکی، مکانیکی و شبکه المان هاي ذکر شده در قسمت قبل بر روي مدل، شبیه سازي عددي با استفاده از معیار آسیب برشی در داخل نرم افزار ABAQUS/Explicit انجام شده و نتایج تغییر شکل و آسیب در قطعه به دست می آید. در خلال انجام شبیه سازي هاي اجزاء محدود، المانهایی که مقدار آسیب در آن ها به یک - شکست کامل - می رسند، توانایی تحمل بار را از دست داده و به صورت براده از قطعه کار جدا می شوند. شکل هاي 4-1 نتایج کانتورهاي آسیب براي فرآیند را در دو حالت دوبعدي و سه بعدي و زاویه ابزار 5 و -7 درجه نشان می دهد.
شکل 1 کانتور آسیب براي صفحه تراشی دو بعدي و زاویه ابزار 5 درجه
شکل 2 کانتور آسیب براي صفحه تراشی دو بعدي و زاویه ابزار -7 درجه
شکل 3 کانتور آسیب براي صفحه تراشی سه بعدي و زاویه ابزار 5 درجه
شکل 4 کانتور آسیب براي صفحه تراشی سه بعدي و زاویه ابزار -7 درجه
شکل 5 نمودار نیرو بر حسب جابجایی ابزار در صفحه تراشی دو بعدي با شکل 9 نمودار نیرو بر حسب جابجایی ابزار در صفحه تراشی سه بعدي با زاویه ابزار 5 درجه و سرعت 3/3 متر بر ثانیه زاویه ابزار 5 درجه و سرعت 3/3 متر بر ثانیه
شکل 6 نمودار نیرو بر حسب جابجایی ابزار در صفحه تراشی دو بعدي با زاویه ابزار 5 درجه و سرعت 5 متر بر ثانیه
شکل 7 نمودار نیرو بر حسب جابجایی ابزار در صفحه تراشی دو بعدي با زاویه ابزار -7 درجه و سرعت 3/3 متر بر ثانیه
شکل 8 نمودار نیرو بر حسب جابجایی ابزار در صفحه تراشی دو بعدي
همچنین شکل هاي 12-7 تاثیر تغییر سرعت پیشروي و زاویه تیغه زاویه ابزار -7 درجه و سرعت 5 متر بر ثانیه ابزار را بر روي نیروي وارد بر ابزار در ضریب اصطکاك هاي متفاوت و در حالت هاي دو بعدي و سه بعدي نشان می دهند.
