بخشی از مقاله
چکیده
از تحلیل برش فلزات مشخص شده است که زاویهي صفحه برش معیاري براي تغییر شکل پلاستیک فلز بوده و یک کمیت اصلی براي پیشبینی نیروهاي برش میباشد. محققینی نظیر ارنست و مرچنت و همچنین لی و شافر در مدل پیشنهادي خود این ناحیه را صفحه فرض کردهاند که به آن صفحه برش میگویند . محققینی دیگر نظیر پالمر و اکسلی این ناحیه را به صورت یک حجم در نظر گرفته اند. آزمایش هاي آنها نشان داد که با افزایش سرعت برشی این ناحیه به سمت صفحه میل میکند. آنها تئوريهاي متفاوتی درمورد پیش بینی زاویه صفحه برش ارائه کردهاند. در این پژوهش در مرحله اول با بررسی پژوهشهاي دیگران، یک دستگاه توقف سریع ساده و کارامد طراحی و ساخته شد . سپس سه تئوري فوق بررسی شده و با انجام آزمایش توقف سریع و همچنین آزمایش نیرو سنجی در عملیات تراشکاري با قطعه کار فولاد ضد زنگ TP304 و ابزار کاربایدي، میزان مطابقت این تئوريها با مقادیر بدست آمده از آزمایش بررسی شده است. نتایج نشان میدهد تئوري پالمر و اکسلی بیشترین تطابق را با مقادیر واقعی دارد.
واژههاي کلیدي:دستگاه توقف سریع، زاویه صفحه برش، فولاد ضد زنگ، ابزار کاربایدي
مقدمه
شکل گیري براده یک فرآیند پیچیده و اساسی در ماشینکاري می باشد. در فرآیند ماشینکاري مواد در تماس با ابزار ابتدا در ناحیه اولیه برش و سپس در ناحیه ثانویه برش، دچار تغییر شکل می شود و مواد موجود در این قسمت ریشه براده را تشکیل می دهند. دستگاه توقف سریع براي بررسی ریشه براده مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از این دستگاه سرعت نسبی بین ابزار و قطعه کار به صفر کاهش پیدا می کند و در نتیجه باعث باقی ماندن براده متصل به قطعه کار می گردد. براده باقیمانده سنگ زده شده و توسط میکروسکوپ مورد بررسی قرار می-گیرد.اکثر دستگاه هاي توقف سریع با استفاده از یک پین برشی کار می کنند که در حقیقت این پین در موقع ماشینکاري، نیروي ماشینکاري را تحمل می کند و در لحظه جدایش، با استفاده از یک ضربه ناگهانی شکسته میشود و لذا قطعه کار و ابزار از هم جدا می شوند.
طرح هاي متفاوتی براي اعمال این ضربه وجود دارد. وورن [1] این ضربه را با استفاده از یک چکش پرتابی 75 کیلو گرمی اعمال کرده است. البته باید توجه نمود که سرعت جدایش در تهیه نمونه مناسب براي انجام بررسی هاي بعدي از اهمیت بالایی برخوردار است. او در این روش مدلسازي محاسباتی براي بدست آوردن زمان جدایش انجام داده است. در بعضی دیگر از انواع دستگاه توقف سریع از یک خرج انفجاري براي جدایش ابزار و قطعه کار که بر روي بلوك نگهدارنده ابزار و یا بر روي پیچ نگهدارنده بلوك عمل می کند، استفاده می گردد. البته در اینجا شتاب جدایش غیر یکنواخت است و در ابتدا کم بوده و در ادامه افزایش می یابد.
الیس و همکاران [2] از یک موتور انفجاري استفاده کردهاند. این تفنگ، یک لوله را به سمت پین برشی داراي شیار که نگهدارنده بلوك ابزار است شلیک می کند و باعث شکست این پین و جدایش می گردد. در این روش مجذور قطر پین طوري محاسبه شده است که نیروي لازم براي شکست آن بیشتر از نیروي مماسی برش و کمتر از مجموع نیروي مماسی برش و نیروي وارده از طرف گلوله باشد. فیلیپ [3] در طراحی خود از قطعات کمتري استفاده کرده است. وزن گلوله نیز کاهش یافته و سیستم ماشه نیز ساده سازي شده است. همچنین از محفظه احتراق متغیر براي تفنگ استفاده شده است که باعث افزایش بازدهی دستگاه توقف سریع می شود.
بلک و جیمز [4] یک دستگاه توقف سریع با استفاده از پین برشی ساختهاند که با یک چکش پرتابی کار می کند و تست این دستگاه تا سرعت 30/48 متر بر ثانیه موفقیت آمیز بوده است. کوماندوري و براون [5] مکانیزم جدایش براده را در فولاد هاي نورد سرد شده با استفاده از دستگاه توقف سریع انفجاري بررسی کردند و بیان کردند که تکه تکه شدن براده به شدت تحت تأثیر ناپایداري ماشینکاري میباشد. گریفیتس [6] دستگاه توقف سریع را براي سوراخکاري عمیق در سرعت برشی 305 متر در دقیقه ساخت که در مقایسه با دیگران سرعت آن بالا بود. یو و همکاران [7] دستگاهتوقف سریعی ساختند که براحتی بر روي دستگاه تراش سی ان سی نصب شود. این دستگاه با پین برشی و چکش کار میکند. گو لیانک چرن [8]
دستگاه توقف سریعی ساخت که با یک سیستم مکانیکی اقدام به توقف سریع تراش میکند. بطوریکه یک تسمه فولادي روي ابزار قرار گرفته و نیروي تراش را تحمل میکند . با عقب رفتن این قطعه توسط نیروي فنر، نیروي ماشینکاري و نیروي فنر ابزار را از براده دور میکنند. دستگاه او دو مشکل اساسی داشت: - 1پس از بسته شدن دستگاه در ابزارگیر دستگاه تراش، فاصله زیاد بین ابزار گیر و محل تمرکز نیروهاي تراش باعث میشد ارتعاشات ماشینکاري تشدید گردد. -2پیچهاي ابزارگیر دستگاه تراش روي ورقی قرار میگرفت که با محکم شدن آن-ها، فنرها نمیتوانند زبانهي روي ابزار را حرکت دهند. لذا دستگاه توقف سریع او براي نیروهاي زیاد برش مناسب نبود. در این پژوهش یک دستگاه توقف سریع با صلبیت لازم و قابلیت تحمل نیروي زیاد طراحی و ساخته شده است.
تشکیل براده در یک عمل برش با براده پیوسته یک تغییر شکل پلاستیک میباشد. به طور کلی تغییر شکل براده در دو ناحیه اولیه و ثانویه انجام میگیرد. در مورد ناحیه اولیه محققینی نظیر ارنست و مرچنت و همچنین لی و شافر[9] در مدل پیشنهادي خود این ناحیه را صفحه فرض کردهاند که به آن صفحه برش میگویند. محققینی دیگر نظیر پالمر و اکسلی[9] این ناحیه را به صورت یک حجم در نظر گرفته اند. آزمایش هاي آنها نشان داد که با افزایش سرعت برشی این ناحیه به سمت صفحه میل میکند. از تحلیل برش فلزات مشخص شده که زاویهي صفحه برش معیاري براي تغییر شکل پلاستیک فلز بوده و یک کمیت اصلی براي پیشبینی نیروهاي برش میباشد. لذا کارهاي زیادي جهت تعیین زاویه صفحه برش انجام شده است. آ.تروپوف و س.کو [10] توسط یک مدل مکانیکی-حرارتی این زاویه را پیش بینی کرده و روابطی براي اصلاح روابط گذشته ارائه کردهاند.
والري مارینو 11]و[12 با استفاده از حل عددي-تحلیلی، ابتدا زاویه صفحه برش را بصورت تئوري و سپس آزمایش بررسی کرده است. لی و همکاران [13] اثر ناهمسانگردي ماده را بر پیش بینی زاویه صفحه برش بررسی کردند. آنها بیان کردند که توافق خوبی بین مقدار پیش بینی شده و مقدار مشخص شده از آزمایش در تراش مس اکسیژن-فري با ضریب هدایت بالا با ابزار الماس وجود دارد. ر.میتال و ب.جونجا [14] اثر توزیع تنش را در برش متعامد بر روي زاویه صفحه برش بررسی کردند.در این مقاله 3 مورد از تئوريهاي بیان شده توسط آزمایش هاي توقف سریع و ابزار کاربایدي روکش دار بر روي قطعه کار از جنس فولاد ضد زنگ TP304 بررسی شدهاند.
طراحی و ساخت دستگاه توقف سریع
ویژگیهاي یک دستگاه توقف سریع عبارتند از: -1زمان جدایش ابزار از براده حداقل باشد. -2تغییر ایجاد شده توسط ابزار بر روي براده و قطعه کار در لحظه جدایی حداقل باشد. -3ارتعاشات ابزار حداقل باشد تا بتوان در نیروهاي بالاي برشی ماشینکاري کرد. -4 زمان آماده سازي دستگاه براي آزمایش بعدي حداقل باشد . -5دستگاه باید قابلیت تکرار خوبی داشته باشد. -6ساخت آن ارزان و ساده و در حداقل زمان باشد. براساس این ویژگیها یک دستگاه توقف سریع طراحی شد که با یک سیستم مکانیکی کار میکند. در شکل 1 نمایی از این دستگاه مشاهده میشود.قطعات دستگاه توقف سریع در شکل 1 دیده میشود که عبارتند از: A قطعه اصلی میباشد که بقیه قطعات روي آن مونتاژ میشوند. جنس این قطعه از فولاد MO40 است. B ابزار تک لبه تراش است که بصورت شماتیک رسم شده است.
این ابزار یک هلدر فولادي است که اینسرت کاربایدي روکش دار روي آن بسته شده است. C یک پین فولادي با مقطع به قطر 6mm میباشد که از طریق سوراخهاي موجود بر روي قطعه اصلی و ابزار باعث اهرم شدن ابزار حول آن میشود. این پین محور دوران ابزار در زمان جدایی آن از براده است. D میلهي پین کش است که یک سر آن روي یک پین به قطر 10mm قرار دارد که روي ابزار قرار میگیرد و نیروي تراش را تحمل میکند. این پین از جنس فولاد CK45 است که توسط عملیات حرارتی ریز ساختار آن مارتنزیت شده است. علت این امر کاهش تغییر شکل آن در نیروهاي بالا از طریق افزایش سختی آن میباشد.
مهرهاي در دیگر انتهاي این قطعه قرار دارد که ضربهي قطعهي فولادي E به آن وارد میشود . F پیچ M6 است که دوتاي آن زیر قطعه اصلی و یکی زیر ابزار محکم میشود. فنرهاي G، یک سر هرکدام به یک پیچ زیر بدنه اصلی و سر دیگر هر دو به پیچ زیر ابزار متصل میشود. نیروي زیاد این فنرها دو مزیت دارد. یکی اینکه ارتعاش ابزار را کاهش میدهد. دیگر اینکه شتاب ایجاد شده توسط آن باعث میشود در زمان توقف سریع، حداقل تغییر شکل اضافی رويبراده اعمال شود. شکل 2 ابزار توقف سریع ساخته شده را نشان می دهد.در این پژوهش سه مورد از تئوريهاي پیش بینی زاویه صفحه برش که به آنها اشاره شد بررسی میشود. در شکل 3 نیروها و زوایا در برش متعامد نشان داده شده است.
اولین تئوري مربوط به ارنست و مرچنت است که با توجه به فرضیات درنظر گرفته شده و تحلیل روابط مکانیک برش به کمک شکل3، به رابطه - 1 - رسیدند:
دومین تئوري مربوط به لی و شافر است که رابطه - 2 - را ارائه کردند:
سومین تئوري مربوط به پالمر و اکسلی است که به رابطه - 3 - رسیدند:
در این روابط زاویه صفحه برش و زاویه اصطکاك و زاویه براده ابزار میباشد. براي محاسبهي از روش نیروسنجی استفاده شده است. با توجه به شکل 3 داریم:
شرح آزمایش
آزمایشها بر روي فولاد ضد زنگ TP304 انجام شده است که مشخصات آن در جدول 1 مشاهده میشود .[15] این قطعه یک لوله بدون درز انتخاب شده است و پس از آماده سازي براي آزمایشها، قطر داخلی آن 53 و قطر خارجی آن 55 میباشد. لذا عمق برش در تمام آزمایشات ثابت و برابر 1 میلی متر میباشد.علت استفاده از لوله، حذف اثر شعاع ابزارو برش کاملاً متعامدمی - باشد و قطر زیاد آن براي نزدیک کردن هرچه بیشتر شرایط آزمایش به شرایط فرض شده در مدلها - عملیات صفحه تراشی - میباشد. همچنین علت بدون درز بودن لوله این است که ناخالصی مربوط به جوش لوله-هاي درز دار بر روي عمر ابزار و مکانیک برش اثر منفی میگذارد.ابزار برشی در تمام آزمایش ها ثابت و از جنس کارباید سمانته1 میباشد. سطح براده ابزار صاف و بدون براده شکن انتخاب شده است تا با تئوري مطابقت داشته باشد.آزمایش ها در شرایط مختلف با استفاده از سه سرعت برشی، سه پیشروي - سرعت پیشروي - و دو زاویه براده انجام شده است. براي تعیین زاویه صفحه برش واقعی تعداد 18 آزمایش توقف سریع و براي محاسبهي زاویه اصطکاك، 18 آزمایش نیروسنجی انجام شده است که شرایط آنها در جدول 2 مشاهده میشود.
