סגסוגת טונגסטן-מוליבדן היא חומר קשה לעיבוד, בעל עלות עיבוד גבוהה, יעילות עיבוד נמוכה ובלאי חמור של כלי עבודה. באמצעות תוכנת ניתוח אלמנטים סופיים ABAQUS, הוקם מודל כרסום תלת מימדי של סגסוגת טונגסטן-מוליבדן, ותהליך הכרסום של סגסוגת טונגסטן-מוליבדן נחקר עבור פרמטרי חיתוך שונים. חוק הווריאציה של כוח החיתוך וטמפרטורת החיתוך מאומת על ידי מבחן הכרסום כדי לאמת את היעילות של מודל הסימולציה. השילוב האופטימלי של פרמטרי חיתוך הושג באמצעות ניסויים אורתוגונליים, כלומר, מהירות חיתוך vc=60m/s, מעורבות גב ap=3mm, הזנה לכל שן fz=0.16mm/z .
הַקדָמָה
1
טונגסטן ומוליבדן עשירים ברזרבות ותפוצה רחבה במדינה שלי. טונגסטן ומוליבדן שייכים ליסודות קבוצת VIIB בטבלה המחזורית של היסודות והם מתכות טיפוסיות בנקודת התכה גבוהה. מכיוון שלסגסוגת טונגסטן-מוליבדן יש נקודת התכה גבוהה יותר וצפיפות נמוכה יותר מאשר טונגסטן טהור, היא משלבת את היתרונות של טונגסטן ומוליבדן. עמידות בפני קורוזיה ואבלציה [1], כך שהוא הופך לחומר חשוב בתחום התעופה והחלל, יכול לשמש בחרירי מנועי רקטות ורכיבים מרכזיים של טורבינות גז, ויש לו סיכויי יישום רחבים יותר בתחום התעשייתי העתידי.
על מנת ללמוד את עקרון החיתוך של סגסוגת טונגסטן-מוליבדן, חוקרים ביצעו עבודת מחקר רבה. כאשר לואו ז'נגצ'ואן [2] השתמש בכלי קרביד צמנט לחיתוך סגסוגות על בסיס טונגסטן, בלאי הכלים היה מהיר ביותר, וצורת הבלאי העיקרית שגרמה לכשל בכלי קרביד מוצק הייתה אזור הבלאי המשולש שהופיע בצומת של המרכז הראשי. האגף והאגף העזר. הגורם העיקרי לבלאי הכלים הוא בלאי מכני הנגרם על ידי נקודות קשות, ופיזור הקובלט כחומר מקשר בקרביד צמנט מאיצה את בלאי הכלים. בעת חיתוך סגסוגות המבוססות על טונגסטן, Ye Yi [3] מצא שכלי קרביד צמנטים מבוססי WC בעלי גרגירים עדינים או עדינים במיוחד עם ציפויים עמידים בפני שחיקה הם בעלי חיי שירות קצרים יותר. זה לא חסכוני לעבד את הסגסוגות שלו. כלים קרמיים מרוכבים אינם מתאימים לחיתוך חומרי סגסוגת טונגסטן גבוהים, ואורך החיים של כלי יהלום PCD אינו משופר משמעותית בהשוואה לקרביד צמנט מבוסס WC. טונגסטן וחומרי הסגסוגת שלו מעובדים בצורה הטובה ביותר עם כלי חיתוך PCBN וציונים עם יותר תכולת CBN (כגון DBC80), כך שניתן לקבל יתרונות כלכליים טובים יותר.
תוכנת ABAQUS לניתוח אלמנטים סופיים היא תוכנה נפוצה לסימולציית חיתוך מתכת. יש לו פונקציות ניתוח לא ליניאריות חזקות והוא יכול לממש צימוד תרמי-מכני. סגסוגת טונגסטן-מוליבדן היא חומר קשה לעיבוד, בעל עלות עיבוד גבוהה, יעילות עיבוד נמוכה ושחיקה חמורה של הכלים. לכן, מאמר זה משתמש בתוכנת ניתוח אלמנטים סופיים ABAQUS כדי ליצור מודל כרסום תלת מימדי של סגסוגת טונגסטן-מוליבדן. כוח החיתוך וטמפרטורת החיתוך הנוצרים בתהליך משתנים, ולבסוף מתקבל השילוב האופטימלי של פרמטרי כרסום באמצעות הבדיקה האורתוגונלית, המספקת התייחסות לתהליך הכרסום בפועל.
עיצוב אלמנטים סופיים מסגסוגת טונגסטן-מוליבדן
2
2.1 מודל גיאומטריית כלי
ההדמיה משתמשת בטרסום קצה של להב מוצק 4-סטנדרטי, והמפרטים מוצגים בטבלה 1. מודל חותך הכרסום נוצר באמצעות תוכנת מידול תלת-ממדית של SolidWorks, כפי שמוצג באיור 1. מאז מטרת מחקר זה הוא לנתח את השונות של כוח החיתוך וטמפרטורת החיתוך תחת פרמטרי כרסום שונים, ובהתחשב בכך שקצה החיתוך הראשי של הכלי קטן בהרבה מחומר העבודה, ההנחה היא שהכלי הוא גוף קשיח בניתוח האלמנטים הסופיים של ABAQUS, ללא קשר של דפורמציה ובלאי של הכלי, הפרמטרים הפיזיים של הכלי מוצגים בטבלה 2.
טבלה 1 מפרט הכלי (יחידה: מ"מ) תמונה
תְמוּנָה
איור 1 דגם חותך כרסום
טבלה 2 פרמטרים פיזיים של הכלי
תְמוּנָה
2.2 דגם מכונן של חומר מסגסוגת טונגסטן מוליבדן
חומר הסימולציה של חומר העבודה במאמר זה הוא סגסוגת טונגסטן-מוליבדן, ופרמטרי הביצועים הפיזיים והמכניים העיקריים מוצגים בטבלה 3[4].
טבלה 3 פרמטרים פיזיים של חומרי סגסוגת טונגסטן-מוליבדן
תְמוּנָה
בתהליך חיתוך מתכת, ברוב המקרים, החומרים עוברים דפורמציה אלסטית-פלסטית בטמפרטורה גבוהה, מתח גבוה וקצב מתח גבוה, ולכן הקמת מודל חומר סביר היא גם שלב מרכזי להדמיה מוצלחת. מודל החומר במאמר זה מאמץ את המודל המכונן של Johnson-Cook, שיכול לשקף את אפקט התקשות המתח, אפקט התקשות המתח והאפקט הריכוך התרמי של החומר, וצורתו היא
תְמוּנָה
בנוסחה, σ הוא מתח הזרימה (MPa); ε הוא הזן הפלסטי; ε0 הוא קצב המתח הייחוס; T היא הטמפרטורה (מעלה); Tr היא טמפרטורת החדר (מעלה); Tm היא נקודת ההתכה של החומר (דרגה); A, B, C, m ו-n הם פרמטרים חומריים, והערכים מוצגים בטבלה 4[5].
טבלה 4 פרמטרים מכוננים של מודל ג'ונסון-קוק של חומרים מסגסוגת טונגסטן-מוליבדן
תְמוּנָה
2.3 תנאי מגע וגבולות
צור תכונת מגע, ומכיוון שהכלי נחשב לגוף קשיח במהלך הסימולציה, עליך ליצור אילוץ גוף נוקשה נוסף. צור תנאי גבול בשלב הניתוח הראשוני כדי להגביל את כל דרגות החופש בצד חומר העבודה. הכלי צריך להגביל 4 דרגות חופש, ולהגדיר את הסיבוב והתנועה סביב ציר Z, כאשר מהירות הסיבוב היא מהירות הציר ומהירות התנועה היא מהירות ההזנה. צור שדה טמפרטורה מוגדר מראש והגדר את הטמפרטורה של חומר העבודה כ-298K.
2.4 חלוקת רשת
לאיכות חלוקת הרשת יש השפעה רבה על תוצאות הדמיית האלמנטים הסופיים. לכן, בעת חיבור הדגם, יש לבחור תחילה את סוג יחידת הרשת המתאים, ולשקול באופן מקיף את הדיוק והעלות כדי לשלוט בצפיפות הרשת בצורה סבירה. ככל שהרשת צפופה יותר, כך הדיוק של תוצאות הסימולציה גבוה יותר, אך זה יגדיל את העלות החישובית. הגודל המינימלי של רשת הכלי ורשת היצירה הוא 0.02 מ"מ, והכלי וחומר העבודה מחולקים לרשתות אחידות בהתאמה. מבנה הכלי מורכב, באמצעות רשת מבנית לא עצמאית, הסוג הוא C3D10MT, ורשת הכלים היא 74400 יחידות. חומר העבודה מאמץ רשת מובנית משושה, רשת היצירה היא 26250 יחידות, וסוג הרשת הוא C3D8RT. הכלי וחומר העבודה לאחר החיבור מוצגים באיור 2 ואיור 3 בהתאמה.
תְמוּנָה
איור 2 רשת כלי
תְמוּנָה
איור 3 רשת חומר עבודה
2.5 פתרון דגם
ABAQUS/Explicit משמש לחישוב מודל, וסוג שלב הניתוח הוא שלב ניתוח צימוד תרמי-מכני מפורש. לאחר השלמת החישוב, ניתן לצפות בתוצאות ולנתח אותן באמצעות מודול העיבוד הפוסט-ABAQUS. תוצאות הדמיית כרסום מוצגות באיור 4.
תְמוּנָה
איור 4 תוצאות סימולציית כרסום
מבחן אורתוגונלי מדומה
3
3.1 עיצוב ניסוי
ניסוי זה בוחן בעיקר את ההשפעה של מהירות חיתוך vc, חיבור אחורי ap והזנה לכל שן fz על כוח החיתוך וטמפרטורת החיתוך בתהליך של כרסום סגסוגת טונגסטן-מוליבדן, ולכן נקבעת טבלה אורתוגונלית עם שלושה גורמים וארבע רמות (ראה טבלה 5), כלומר, קח את vc, ap ו-fz כמשתנים בלתי תלויים. תן את רוחב החיתוך ae=1 מ"מ, את כוח החיתוך המינימלי F ואת טמפרטורת החיתוך המינימלית T כתגובה [6]. על פי עקרון הבחירה של טבלת הבדיקה האורתוגונלית, הטבלה האורתוגונלית L16 מאומצת, וסידור הבדיקה והתוצאות מוצגים בטבלה 6.
טבלה 5 גורמים אורתוגונליים ורמות
תְמוּנָה
טבלה 6 תוצאות בדיקה אורתוגונלית
תְמוּנָה
3.2 ניתוח תוצאות הדמיית אלמנטים סופיים
שיטת הטווח R משמשת לניתוח תוצאות הבדיקה האורתוגונלית, והטווח מתייחס להפרש בין הערך המקסימלי לערך המינימלי המתאים לכל אינדקס רמה. שיטת ניתוח הטווח, המכונה שיטת R, היא השיטה הנפוצה ביותר לניתוח תוצאות של ניסויים אורתוגונליים. שיטה זו כוללת שני מודולים של חישוב ושיפוט, ויכולה לגלות את הרמה הראשונית והמשנית, הרמה האופטימלית והשילוב האופטימלי של גורמים במבחן [7]. העיקרון של שיטת R הוא להשוות את טווח הערכים בכל עמודה על ידי חישוב הטווח. ככל שהטווח גדול יותר, כך השפעת הגורם על התוצאה, שהיא הגורם העיקרי, גדולה יותר, ולאחר מכן מנתחים את התוצאה באמצעות שיטת הניתוח האינטואיטיבי. ניקח את כוח החיתוך המינימלי F כמדד, ראה טבלה 7 לניתוח תוצאות הבדיקה. בטבלה, K1, K2, K3 ו-K4 הם סכום תוצאות הבדיקה בכל רמה של כל גורם משפיע, ו-k1, k2, k3 ו-k4 הם הערכים הממוצעים המתאימים. ערך.
טבלה 7 ניתוח של תוצאות בדיקות אינדקס F (יחידה: N) תמונה
From Table 7, it can be concluded that the amount of back cutting and feed per tooth have a great influence on the cutting force, and the primary and secondary influences are B>C>A, אז הסכימה האופטימלית של אינדקס F היא B1C2A2, כלומר, מהירות החיתוך vc היא 60m/s, כמות ההזנה לכל שן fz היא 0.16mm/z, וכמות החיתוך האחורי ap הוא 2 מ"מ. אם לוקחים את טמפרטורת החיתוך המינימלית T כמדד, ניתוח תוצאות הבדיקה מוצג בטבלה 8.
טבלה 8 ניתוח תוצאות בדיקת אינדקס T (יחידה: K)
תְמוּנָה
From Table 8, it can be concluded that the cutting speed and the amount of back cutting have a great influence on the cutting temperature, and the primary and secondary effects are A>C>ב, אז הפתרון המועדף הוא A1B12C4, כלומר, מהירות החיתוך vc היא 50m/s, וקצב ההזנה לכל שן הכמות fz היא 0.16mm/z, והכמות ap היא 4mm.
בדיקת כרסום סגסוגת טונגסטן מוליבדן ואימות דגם
4
4.1 עיצוב ניסוי
על מנת לאמת את תוקפו של מודל האלמנטים הסופיים של בדיקת כרסום סגסוגת טונגסטן-מוליבדן, מרכז העיבוד של CNC JOHNFORD-VMC-850 שימש לכרסום, וטחנת הקצוות הסטנדרטית 4-בקצה הקרביד נבחר ככלי (ראה איור 5).
תְמוּנָה
איור 5 חותך כרסום
גודל דף העבודה הוא 150 מ"מ × 130 מ"מ × 45 מ"מ. על מנת לתקן את חומר העבודה על הדינמומטר, חור ההרכבה מעובד על חומר העבודה לפני הכרסום, והחור נקדח עם מקדחה φ8.6 מ"מ מפלדת טונגסטן, ולאחר מכן דרך בורג ראש משושה ראש גלילי M8 לקיבוע. בניסוי נעשה שימוש בדינמומטר תלת-כיווני KISTLER9257b למדידת כוח החיתוך, הדינמומטר היה מקובע על שולחן כלי המכונה על ידי לוחית לחץ, וטמפרטורת החיתוך נמדדה על ידי מדחום אינפרא אדום. הקיבוע של הדינמומטר וחומר העבודה מוצג באיור 6, ותהליך מדידת הכוח ומדידת הטמפרטורה מוצג באיור 7.
תְמוּנָה
א) עיבוד חורי הרכבה
תְמוּנָה
ב) מד הכוח קבוע
איור 6 תיקון של מד הכוח וחומר העבודה
תְמוּנָה
א) מדידת כוח חיתוך
תְמוּנָה
ב) מדידת טמפרטורת חיתוך
איור 7 מדידת כוח ותהליך מדידת טמפרטורה
4.2 אימות מודל
שלוש קבוצות של פרמטרי חיתוך נבחרו לבדיקה. הערכים המדומים, הערכים הנמדדים ושגיאות כוח החיתוך וטמפרטורת החיתוך מוצגים בטבלה 9 ובטבלה 10. ניתן לראות מטבלה 9 וטבלה 10 כי השגיאה המקסימלית של תוצאות הסימולציה היא 15.6%, שהם בטווח של 20% , כך שתוצאות הבדיקה עומדות בדרישות של יישומים הנדסיים.
טבלה 9 ערך סימולציה, ערך נמדד ושגיאת כוח חיתוך
תְמוּנָה
טבלה 10 ערך סימולציה, ערך נמדד ושגיאת טמפרטורת חיתוך
תְמוּנָה
סיכום
5
במאמר זה נעשה שימוש בתוכנת ניתוח אלמנטים סופיים של ABAQUS ליצירת מודל כרסום תלת מימדי של סגסוגת טונגסטן-מוליבדן. על פי פרמטרי חיתוך שונים, חוק הווריאציה של כוח החיתוך וטמפרטורת החיתוך שנוצר בתהליך של כרסום סגסוגת טונגסטן-מוליבדן נחקר, ופרמטרי הכרסום האופטימליים מתקבלים באמצעות ניסויים אורתוגונליים. שילוב, ספק התייחסות לכרסום בפועל. המסקנות שהתקבלו הן כדלקמן.
1) The back engagement ap and the feed per tooth fz have a great influence on the cutting force F, and the primary and secondary influences are B>C>א. לכן, הפתרון האופטימלי של כוח החיתוך F הוא B1C2A2, כלומר vc=60m/s, fz= 0.16mm/z, ap=2mm.
2) The cutting speed vc and the back cutting amount ap have a great influence on the cutting temperature T, and the primary and secondary influences are A>C>ב. לכן, הפתרון האופטימלי של טמפרטורת החיתוך T הוא A1B1C4, כלומר vc=50m/s, fz=0.16mm/ z,ap=4mm.
3) שקול באופן מקיף את יעילות החיתוך והיתרונות בעיבוד בפועל, והשיג את השילוב האופטימלי של פרמטרי תהליך, כלומר, vc=60m/s, fz=0.16mm/z, ap{{4 }} מ"מ.
