بخشی از مقاله
چکیده
در حالت کلی تنش های پسماند موجود در یک جسم می توانند مضر و یا مفید باشند. تنشهای پسماند کششی معمولاﹰ مضر هستند. در چنین حالتی سطح جسم ترد و شکننده شده و مقاومت مکانیکی سطح کاهش می یابد. در مقابل در اغلب اوقات تنش های پسماند فشاری مفیدند. تکنیک های مختلفی به منظور بهبود مقاومت قطعات در برابر بارهای نوسانی یا خستگی وجود دارد. یکی از کارآمدترین تکنیک ها، القای لایه تنش پسماند در سطح اجزا است.
درمان مکانیکی سطح مانند غلتک کاری سطحی، ساچمه کوبی و لیزر زنی می تواند به طور قابل توجهی باعث بهبود رفتار خستگی در اجزای فلزی با تنش بالا شود. همچنین غلتک کاری سطحی باعث بهبود کیفیت سطح، دقت ابعادی و خواص مکانیکی قطعات می شود. ایجاد تنش فشاری پسماند توسط این فرآیند از تنش های کششی که در حین بارگذاری بر قطعه وارد می شود، می کاهد . همچنین صافی سطح توسط این فرآیند در سطح بسیار بالایی بهبود می یابد.
این دو عامل یعنی کاهش تنش کششی در قطعه بوسیله ایجاد تنش پسماند فشاری و صافی سطح باعث بالا بردن عمر خستگی قطعه می شود. توزیع تنش پسماند در قطعه کار در اثر غلتک کاری را می توان با پارامترهای همپوشانی مسیرها، تغییر در ضریب اصطکاک، روشهای مختلف غلتک کاری سطحی با استفاده از نیروی ثابت و همچنین ابزار مکانیکی تحت تاثیر قرار داد. در این کار تاثیر این پارامترها توسط شبیه سازی اجزا محدود مورد مطالعه قرار گرفت. ماده مورد استفاده در این پژوهش Ti-6Al-4V می باشد.
۱- مقدمه
٢- تاریخچه تحقیقات
به خوبی می دانیم که اصلاح مکانیکی سطح مانند غلتک کاری سطحی، ساچمه کوبی و لیزر زنی می توانند به طور قابل توجه رفتار خستگی در اجزا فلزی با تنش بالا را بهبود بخشد. به خصوص غلتک کاری سطحی مورد توجه است زیرا باعث ایجاد کارسختی و تنش پسماند فشاری عمیق می شود، در حالی که کیفیت سطح نسبتا بالایی نیز ایجاد می کند. پژوهش های قبلی نشان داده است که بهترین روش برای افزایش تنش گسیختگی و سخت شدن مکانیکی، کرنش در لایه سطحی است. این حالت می تواند توسط غلتک کاری سطحی بدست آید. غلتک کاری سطحی از روشهای اصلاح سطح است که برای سخت شدن مکانیکی در لایه سطحی استفاده می شود.
غلتک کاری سطحی با توجه به سه مزیت قابل توجه نسبت به روشهای دیگر متمایز می شود. مزیت اول این است که بیشترین و عمیق ترین حالت تنش پسماند در لایه سطحی القا می شود.[1] مزیت دوم سخت سازی کرنشی بالا بویژه در اعماق لایه سطحی است.[2] مزیت سوم بهبود کیفیت سطح بویژه در مقایسه با فرآیند ساچمه کوبی است.[3] همچنین افزایش طول عمر در مقایسه با اجزای ساچمه کوبی شده می تواند مشاهده شود.[4] نتایج نشان می دهد غلتک کاری سطحی باعث افزایش طول عمر قابل توجه و کاهش انتشار ترک می شود.
در کار حاضر از روش المان محدود - FEM - به منظور تعیین پاسخهای مدل به تغییر پارامترهای مختلف موثر در فرآیند و کاهش هزینه ها جایگزین روش تجربی شده است. روش المان محدود پیشبینی رفتار مواد برای حالات مختلف بارگذاری مقدور می سازد. بنابراین رفتار Ti-6Al- 4V در نرم افزار ABAQUS مدلسازی شده است. نتایج تجربی در [5] ، [6] نشان می دهد تاثیر غلتک کاری سطحی تا 500µm می رسد. در این عمق تغییرات تنش پسماند بسیار زیاد است. به دلیل وجود این تغییرات زیاد نیاز به مش بندی با تراکم بالا در لایه های سطحی هستیم.
مقاومت مواد در برابر خستگی می تواند توسط روشهای اصلاح سطح مختلفی مانند غلتک کاری سطحی ، ساچمه کوبی افزایش یابد.
ترک خوردگی خستگی معمولا در سطح قطعات تحت بارگذاری خستگی بوجود می آید. زبری سطح، تنش پسماند، و ترکهای بسیار ریز سطحی از جمله فاکتورهایی هستند که شروع و انتشار ترک و در نتیجه عمر خستگی را کنترل می کنند
یکی از مزایای به خوبی شناخته شده غلتک کاری سطحی در مقایسه با روشهای دیگر بهبود سطح، عمق بیشتر در لایه تحت تاثیر تغییرات در حالت کار سختی و تنش پسماند فشاری است. همچنین تولید سطح براق با زبری کم در مقایسه با روش ساچمه زنی است.
این سه اثر به طور قابل توجهی می توانند رفتار مکانیکی مواد فلزی به ویژه تحت بارگذاری خستگی بالا ببرد. غلتک کاری سطحی روش اصلاح سطح است که از غلتک برای تولید سطح دارای تنش پسماند فشاری به منظور بهبود مقاومت خستگی مواد استفاده می شود.
غلتک کاری سطحی به طور گسترده در صنعت خودرو، موتور هواپیما، پره های توربین و غیره مورد استفاده قرار می گیرد. اثر غلتک کاری سطحی بر رفتار خستگی مورد بررسی قرار گرفته و تاثیر فاق ١ و سختی مواد در افزایش استحکام خستگی در قطعاتی که تحت غلتک کاری قرار گرفته اند مشخص شده است.
همچنین غلتک کاری سطحی در ترکیب با بهبود حرارتی سطح از جمله القاﺀ سخت شدگی بویژه در صنعت خودرو مورد بررسی قرار گرفته است
نالا و آرتنبرگر [14] تاثیر تنش پسماند ناشی از نورد عمیق بر مهار شکل گیری ترک و کاهش سرعت رشد ترک را بررسی نمودند.
مدر و کلاک [15] غلتک کاری سطحی در پره های کمپرسور برای موتور هواپیما را مورد مطالعه قرار دادند. در این پژوهش تاثیر نورد عمیق جهت مهار شکل گیری ترک و کاهش سرعت رشد ترک ناشی از بارهای تناوبی ارزیابی گردید. در این تحقیق از تحلیل المان محدود و آزمون عملی استفاده نمودند و نتایج حاصل با همدیگر مقایسه گردید.
در مرجع [16] دکتر مجذوبی و همکاران با مدلسازی عددی فرایند غلتک کاری سطحی نتیجه گرفتند میزان تنش پسماند با افزایش عمق نورد تا مقدار خاصی افزایش یافته و پس از آن شروع به کاهش می کند . همچنین سرعت زاویه ای غلتک موجب افزایش تنش پسماند سطحی می شود .
بیکر و همکاران در مرجع [3] توانستند با ترکیب روش المان محدود - FEM - و روش المان مرزی - BEM - آنالیز فرآیند غلتک کاری سطحی در پرههای توربین جهت انجام محاسبات عددی مدلهای بزرگ ارائه نمایند و نشان دادند با استفاده از غلتک کاری سطحی می توان آسیب ناشی از برخورد جسم خارجی - FOD - و توسعه خستگی ناشی از نوسانات که در نهایت منجر به شکست تیغه می شود را کاهش داد.
٣- مدلسازی المان محدود
در پژوهش حاضر از نرم افزار ABAQUS 6. 10 برای شبیه سازی استفاده شده و جهت اعتبارسنجی نتایج بدست آمده با نتایج تجربی مقایسه شده است. برای مدل کردن فرآیند غلتک کاری سطحی در قسمت گام١ از گزینه حل صریح دینامیکی٢ استفاده شده است . غلتک کاری سطحی با استفاده از توﭖ٣ بر روی سطح قطعه به صورت حرکت رفت و برگشتی انجام شده است.
هندسه قطعه کار همانگونه که در شکل ۲ و در جدول ۱ آورده شده با ابعادی به عرض ٦ میلیمتر، طول ٨ میلیمتر و ارتفاع ٢ میلیمتر در نظر گرفته شده است. شرایط مرزی در انتهای قطعه به صورت کاملا درگیر می باشد. مش بندی قطعه شامل ١٦٥٨٨٨ المان ٨ نقطه ای خطی با کنترل ساعت شنی٤ و انتگرال کاهش یافته٥ قرار گرفته است
غلتک به صورت کاملا کروی، صلب٦ و با جرم متمرکز در مرکز آن در نظر گرفته شده است. غلتک با استفاده از تکنیک sweep مش بندی شده است.
شکل - ٢ - مدل غلتک کاری سطحی
جدول - ۱ - ابعاد غلتک و قطعه کار نشان داده شده در شکل ۲
ماده مورد استفاده در این کار Ti-6Al-4V می باشد. ترکیب شیمیایی ماده Ti-6Al-4V در جدول ٢ و خواص ماده در جدول ٣ نشان داده شده است. همچنین از مدل جانسون-کوک برای پیشبینی حالت پلاستیک ماده استفاده شده است. رابطه جانسون کوک بصورت زیر تعریف می شود.
در رابطه - ١ - A، B، C، n و m ثابت های ماده می باشند که A استحکام گسیختگی، B و n ضریب و توان کرنش سخت شدگی و C ضریب نرخ کرنش و m توان حرارت نرم شدگی می باشد . ثابت های ماده مورد استفاده در معادله جانسون-کوک در جدول ٤ آورده شده است.
جدول - ٢ - ترکیب شیمیایی ماده Ti-6Al-4V
جدول - ۳ - خواص ماده Ti-6Al-4V مورد استفاده برای شبیه سازی
