بخشی از مقاله
چکیده: خانکشی نوعی فرآیند ماشینکاری است که ابزار جهت برادهبرداری در طول قطعهکار کشیده یا فشار داده میشود. با توجه به محدودیتهای مطالعات تجربی، امروزه استفاده از روشهای اجزا محدود به عنوان ابزاری کارآمد در این زمینه در حال پیشرفت است. میزان تنش پسماند این فرآیند بر عمر خستگی قطعهکار اثر قابل توجهی دارد. نوع و مقدار تنش پسماند به وسیله بارهای حرارتی و مکانیکی منتقل شده به قطعهکار مشخص می گردد. در تحقیق حاضر، شبیهسازی اجزا محدود دو بعدی فرآیند خانکشی برای دو دندانه انتهایی ابزار جهت ماشینکاری آلیاژی از جنس Ti-6Al-4V انجام شده است.
پارامترهای برشکاری شامل سرعت برشی، زاویه براده، زاویه آزاد، افزایش ارتفاع برای دندانه و عمق برش اولیه در شبیهسازی دندانه ماقبل آخر مورد بررسی قرار گرفته است. سپس کمترین بار حرارتی و بیشترین بار مکانیکی در قطعه کار توسط الگوریتم ژنتیک استخراج شده و شرایط برشی و هندسه ابزار بهینه برای این دندانه انتخاب گردیده است. پس از انجام بهینهسازی دندانه ماقبل آخر و با توجه به تاثیر دندانه آخر بر مقدار تنش پسماند نهایی، شبیه سازی و بهینهسازی فرآیند برش به کمک الگوریتم ژنتیک در این دندانه نیز انجام شده است. در نهایت ابزار خانکشی که بتواند تنش پسماند مطلوب را در آلیاژ مربوطه ذخیره نماید، طراحی میشود.
.1 مقدمه1
امروزه همگام با پیشرفت سریع در صنایع تولیدی، استفاده از ابزارهای بهینه در واحدهای تولیدی، به منظور باقی ماندن در بازار شدید رقابت، امری لازم و ضروری میباشد. در صنایع تولیدی کنونی، تمایل به نرخ بالای تولید و کاهش هزینهها سبب افزایش کاربرد فرآیندهای نوین ماشینکاری مثل خانکشی در صنعت شده است .[ 1] همچنین خانکشی دارای ظرفیت تولید بالا میباشد که توانایی تولید آن 25 برابر روشهای تولید با ابزار معمولی تک لبه مانند تراشکاری است .[2]
امروزه با توجه به گسترش تحقیقات صورت پذیرفته در زمینه ماشینکاری، مطالعات تجربی به دلیل هزینهبر بودن و نیاز به صرف زمان بالا، قادر به پاسخگویی نیازهای این بخش نمیباشند. به همین منظور جهت رفع این مسئله از روشهای شبیهسازی کامپیوتری بهره گرفته شده است. در ادامه به برخی از تحقیقات تجربی، تحلیلی و شبیهسازی در فرآیند خانکشی پرداخته خواهد شد. ماکاروف و همکارانشان مقایسهای تجربی بین عمر ابزار، سایش ابزار و صافی سطح در عملیات خانکشی آلیاژ مقاوم به گرمای EI787VD در سرعتهای برشی پایین و سرعتهای برشی بالاتر از حد معمول انجام دادند. نتایج تحقیقات نشان میدهد که خانکشی با سرعت بالا برای این آلیاژ، سبب بهبود نتایج خانکشی شده است.
به عنوان مثال عمر ابزار ده برابر بیشتر از سرعتهای معمولی برش میگردد .[3] همچنین ماکاروف و همکارانشان با روش اجزا محدود مدلی برای سرعت ابزار هنگام خانکشی قطعهکار مقاوم به گرمای EI787VD وابسته به پارامترهای برشی مانند شعاع لبه برنده، عمق براده ارائه نمودند. ایشان همچنین اثر خانکشی با سرعت بالا - بیش از 30 متر بر دقیقه - را بر دمای ابزار هنگام عملیات بررسی کردند و یک سرعت بهینه به منظور آنکه دما در همهی لبههای برنده ابزار هنگام خانکشی تقریبأ ثابت بماند، پیشنهاد کردهاند.[4] شولز و همکارانشان با شبیهسازی المان محدود، اثر سرعت برشی و دمای اولیه قطعهکار را هنگام خانکشی بر تنش پسماند قطعهکار فولادی کم آلیاژ SAE5120 محاسبه نمودند.
ایشان اطلاعات دمایی لبه اول برشی، پس از عبور از قطعهکار را به عنوان مقادیر اولیهی لبه برشی دوم استفاده نمودند. پس از انجام شبیهسازی به این نتیجه رسیدند که دمای اولیه قطعهکار، اثر قابل توجهی بر تنش پسماند دارد و با انتخاب دمای مناسب میتوان میزان تنش پسماند قطعهکار را کنترل نمود.[5] کانگ و همکارانشان هنگام خانکشی آلیاژ پایه نیکلی GH4169 اثر تشکیل برادهی دندانه ارهای را بر روی نیروهای برش، نوسانات دمایی، عمر ابزار و سلامت سطح بررسی کردند.
ایشان با تحلیل المان محدود الاستو ویسکو پلاستیک تغییرات تنش و نیروهای برشی را با تغییر زاویه براده بررسی نمودند و دریافتند که مقادیر زاویه براده رابطه معکوس با نیروی برشی دارد.[6] ژانگ و همکارانشان به کمک شبیهسازی المان محدود دو بعدی قطعهکار Inconel718، اثر پارامترهای برشی مانند زاویه براده و زاویه آزاد را بر نیروی برشی و اثر زاویه براده و افزایش ارتفاع برای هر دندانه را بر نحوهی شکلگیری براده در داخل گالت ابزار بررسی نمودند.
طبق نتایج به دست آمده، نیروی برشی تابعی از افزایش ارتفاع برای هر دندانه، عرض لبه برنده و سرعت برشی میباشد و با افزایش دو پارامتر نسبت سطح گالت به براده و عمق دندانه خانکشی، براده در درون گالت به سهولت شکل گرفته و باعث افزایش عمر ابزار و کیفیت سطح قطعهکار میشود.[7] کیشاوی و همکارانشان مدلی ریاضی برای برآورد نیروی لازم جهت خانکشی قطعهکاری از جنس فولاد AISI1045 بر پایهی تحلیل انرژی لازم جهت انجام فرآیند بدست آوردند. این مدل همخوانی قابل قبولی با مقادیر تجربی اندازهگیری شده دارد. همچنین با مطالعه عوامل موثر بر ساختار زیر سطحی قطعهکار، دریافتند که میزان عمق مناسب جهت عملیات حرارتی قطعهکار پس از فرآیند خانکشی، تابعی از ضخامت براده جدانشده و شعاع لبه برش میباشد.[8]
مطالعات صورت گرفته نشان میدهد که تاکنون تحقیقات زیادی در زمینه طراحی ابزار فرآیند خانکشی آلیاژ Ti-6Al-4V ، که در آن تنش پسماند قطعهکار در نظر گرفته شده باشد، انجام نشده است. در این مقاله برای ایجاد تنش پسماند مطلوب در قطعهکار پس از خانکشی، از شبیهسازی دو دندانه انتهایی ابزار که بیشترین اثر را بر روی تنش پسماند دارند، استفاده شده است. در مرحله بعد بهینهسازی به روش الگوریتم ژنتیک با تابع دو هدفه جهت ایجاد کمترین بار حرارتی و بیشترین بار مکانیکی در قطعهکار انجام شده است. به منظور استفاده از شرایط برشکاری متفاوت مانند سرعت برشی، زاویه براده، زاویه آزاد، افزایش ارتفاع برای دندانه و عمق برش اولیه، روش طراحی آزمایش تاگوچی برایطراحیِ شبیهسازیها در شرایط مختلف استفاده گردیده است.
.2 عملیات خانکشی
خانکشی نوعی عملیات برادهبرداری است که برای ایجاد سطوح تخت، شیارها، هزارخاری و سطوح فرمدار دیگر بر روی قطعات انجام میشود. این فرآیند به وسیله ابزارهایی به نام تیغهها یا سوزنهای خانکشی که دارای دندانه های برنده متوالی و با اندازه ارتفاع در حال افزایش هستند، اجرا میشود. زوایای مختلف هندسه ابزار خانکشی در شکل 1 نشان داده شده است. در ادامه برخی از اجزاء ابزار خانکشی، که در بخش شبیهسازی استفاده خواهد شد، شرح داده شده است.
الف- زاویه براده زاویه براده ابزار خانکشی به نحوی انتخاب میگردد که با قابلیت ماشینکاری فلزات مربوطه مرتبط باشد. مقدار این زاویه به صورت معمول کمتر از 20 انتخاب میگردد، زیرا مقادیر بیشتر سبب شکستن دندانهها خواهند شد.
ب- زاویه پشت دندانه اندازه سطح پشت دندانه تعیین کننده مقاومت دندانهها است و در ضمن محدود کننده دفعات سنگزنی مجدد نیز میباشد. این مقدار را معمولا بین 0/25 تا 0/30 برابر گام انتخاب میکنند. سطح پشت دندانه نیز بصورت زاویهدار ساخته میشود که زاویه آن را زاویه پشت دندانه مینامند.
ج- عمق دندانه به طور کلی عمق دندانهها میبایستی بین یک چهارم تا نصف اندازه گام باشد. اگر عمق بیش از این انتخاب شود، اولأ دندانهها لاغر و ضعیف میشوند و ثانیأ تعداد مرتبهای که میتوان دندانهها را سنگ زده و تیز نمود، کمتر میگردد.
د- گام دندانه فاصله میان دو دندانه در دو نقطه مشخص، گام دندانه نامیده میشود. گام ابزار خانکشی تعیین کننده پارامترهایی نظیر طول ابزار، ضخامت برادهبرداری، ساختمان دندانهها، مقاومت دندانهها، تعداد دندانههای درگیر با قطعه کار در هر فاصله مشخص و قابلیت هم محور بودن ابزار خانکشی در طول حرکت آن میباشد.
ه- اختلاف ارتفاع دو دندانه - RPT - اختلاف ارتفاع دو دندانه متوالی، مقدار براده برداری در فاصله بین دو دندانه را مشخص می کند. بیشترین افزایش برای ارتفاع دو دندانه از رابطه 1 محاسبه میگردد. در این رابطه P گام ابزار، L عرض دندانه، D عمق گالت و Lc مقدار طولی است که باید خانکشی شود .[9]
.3 شبیهسازی خانکشی و طراحی ابزار بهینه
در این بخش ابتدا به بیان روش تاگوچی در طراحی آزمایشات پرداخته خواهد شد. سپس شبیهسازی فرآیند خانکشی به وسیله نرم افزار DEFORM با تغییر سرعت برشی، عمق اولیه برش، افزایش برای هر دندانه، زاویه آزاد و زاویه برادهی ابزار، طرح ریزی شده است. در مرحله بعد و با استفاده از نتایج شبیهسازی، دندانه ماقبل آخر ابزار با روش الگوریتم ژنتیک به صورت دوهدفه، به صورت بهینه طراحی شده است. پس از آن با تغییر مقادیر شعاع لبهی برشی، زاویه آزاد و زاویه برادهی ابزار برای دندانه دوم برشی، مجددا شبیهسازی و بهینهسازی در مورد این دندانه نیز انجام گرفته است.
.3-1 طراحی آزمایش توسط روش تاگوچی
طراحی آزمایش به روش تاگوچی، راهی برای کاهش تعداد مراحل شبیهسازی یک فرآیند است. به عبارت دیگر با استفاده از این روش آزمایشها طوری طراحی میشوند که علاوه بر اینکه تأثیر تمام عوامل مورد بررسی قرار میگیرد، تعداد آزمایشها نیز کمترین حد خود را داشته باشد .[10] در این تحقیق ابتدا به شبیه سازی فرآیند برش در دندانه اول پرداخته شده است. در اینجا تعداد پنج عامل از عوامل موثر بر مکانیک برش انتخاب شدهاند که مطابق جدول 1 شامل سرعت برشی V، زاویه آزاد ، زاویه براده ، عمق اولیه برش D و افزایش برای هر دندانه RPT میباشند. با توجه به تعداد متغیرها و سطوح هرمتغیر، از جدول طراحی آزمایشات تاگوچی میتوان آرایه L -16 را انتخاب نمود که دارای 5 عامل 4 سطحی میباشد .[10] چون در این تحقیق تنها یک عامل 4 سطحی وجود دارد و بقیه عوامل شامل سطوح کمتری میباشند، لذا از روش سطوح تکراری جهت طراحی آزمایش استفاده شده است. جدول 2 طراحی دادههای مورد نیاز برای شبیهسازی میباشد.
.3-2 شبیهسازی دندانه اول خانکشی
در نرمافزار DEFORM دو بعدی قطعه کار و ابزار به صورت مدل تنش صفحهای در نظر گرفته شدهاند که عمق برش قابل رویت نمیباشد. به منظور مشبندی ابزار و قطعهکار، از المانهای مربعی شکل چهار گرهای چهار وجهی بهره گرفته شده است.
