بررسی و تحلیل عددی فرایند تراشکاری با استفاده از مدلسازی المان محدود

عملیات تراشکاری به منظور تغییر شکل، ابعاد و زبری سطح یک قطعه کار و از طریق برداشتن چندین لایه از ماده آن، انجام می پذیرد. تئوری تولید براده و براده برداری پیچیده است، چرا که نه تنها علم پلاستیسیته، بلکه علوم دیگری مانند ترمودینامیک و ریاضیات نیز در آن درگیر است. در سالهای اخیر، کاربرد روش المان محدود (fem) در عملیات براده برداری در جهت مطالعه فرآیند و تولید براده بسیار موثر بوده است. قدرت محاسباتی کامپیوترها و استفاده از نرم افزارهای مرتبط در مطالعه تغییر شکل پلاستیکی مواد، امکان نظارت بر تمام پارامترهای فرآیند کاری را ممکن می سازد. بنابراین این نرم افزارها می توانند به عنوان یک ابزار کاربردی توسط محققین و تولید کنندگان ماشین آلات و ابزار آلات استفاده شوند. در این راستا، تخمین مولفه های نیروی برشی به روش عددی در کاهش تغییر شکل قطعات ماشین، مقاومت این نیروها برای جلوگیری از اعوجاج بیش از اندازه قطعه کار، فیکسچر یا ابزارهای برشی و انتخاب ماشین ابزار با نیروی کافی ضروری است. در بخش نخست این تحقیق، به مطالعه فرآیند تراشکاری. روی قطعه کار فولاد کربنی و ابزار تنگستن کاربایدی به صورت سه بعدی پرداخته شده و نحوه توزیع تنش در قطعه کار نشان داده شده و اندازه مولفه های نیروی تراش و برآیند نیروی تراش در شرایط ماشینکاری مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. پارامترهای ماشینکاری مورد بررسی روی نیروی تراش عبارتند از: زاویه براده، زاویه تنظیم اصلی، سرعت برشی، عمق بار و نرخ پیشروی. در تحلیل عددی فرآیند تراشکاری به دلیل نرخ کرنش بالا از رفتار الاستیکی قطعه کار صرف نظر شده و به دلیل تغییر شکل ناچیز ابزار، در مدلسازی ابزار به صورت صلب در نظر گرفته شده است. در بخش بعدی این تحقیق با ایجاد حفره در مدل ابزار و در سطح تماس براده با ابزار به عنوان گودال فرسایش، تاثیر فرسایش گودالی روی دما و مولفه های نیروی تراش مورد بررسی قرار گرفته است. برای اعتبار بخشیدن به نتایج حاصل از روش شبیه سازی عددی، از نتایج آزمایشات تجربی ارائه شده در مقالات معتبر علمی استفاده شده است. مقایسه نتایج بدست آمده از روش المان محدود با نتایج تجربی نشان دهنده قابل اعتماد بودن نتایج بدست آمده از تحلیل عددی در این تحقیق می باشد. در این مطالعه از بسته نرم افزاری deform 3d برای آنالیز و تحلیل عددی فرآیند به روش لاگرانژ به روز شده استفاده شده است. در یک تراش مورب نتایج بدست آمده نشان می دهد که مولفه مماسی نیرو قسمت اعظم نیروی برآیند تراش را تشکیل می دهد. افزایش نرخ پیشروی و عمق بار باعث افزایش اندازه مولفه های نیروی تراش می گردد. تغییرات عمق بار نسبت به تغییرات نرخ پیشروی تاثیر بیشتری روی اندازه نیروی مماسی و محوری دارد، ولی در مورد نیروی شعاعی، اثر تغییرات نرخ پیشروی بیشتر از عمق بار می باشد. با افزایش زاویه تنظیم اندازه نیروی شعاعی کاهش می یابد و اندازه نیروی محوری افزایش می یابد. در حالت کلی افزایش زاویه تنظیم باعث کاهش جزئی در اندازه نیروی مماسی تراش می گردد. افزایش زاویه براده باعث کاهش اندازه مولفه شعاعی، محوری و مماسی نیروی تراش می گردد و این کاهش نیرو تا زاویه 5 درجه محسوستر است. بنابراین با در نظر گرفتن شرایط یک ماشینکاری با قابلیت بالا، زاویه براده 5 درجه یک زاویه مناسب برای ابزار می باشد. افزایش سرعت برشی باعث کاهش مقدار جزئی در هر سه مولفه نیرو می گردد. سایش در سطح براده ابزار تا یک مقدار مشخصی باعث کاهش دما و نیروی تراش می گردد. بنابراین با تغییر پارامترهای موثر در طراحی یک براده شکن که شامل فاصله از لبه برشی و عمق گودال می باشد و رسیدن به یک مینیمم مقدار دما و نیروی تراش، مقادیر بهینه برای براده شکن استخراج گردیده است که می تواند در طراحی ابزار مورد استفاده قرار گیرد.