تأثیر جهت پاشش و حجم خروجی سیال خنک کننده روی عمر ابزار در تراشکاری فولاد ۱۰۴۵

چکیده
استفاده از سیال پرفشار در ماشینکاری یک فناوری فراگیر است که در آن سیال پر فشار به ابزار و قطعه کار می رسد. فشار زیاد سیال باعث نفوذ بهتر سیال به سطح تماس قطعه و ابزار و سطح تماس براده با ابزارمی شود در نتیجه تأثیر خنک کنندگی آن بیشتر شده و ساییدگی ابزار را از طریق روغنکاری نواحی تماسی کاهش می دهد . مهمترین هدف بررسی تأثیر فشار ، دی و جهت پاشش سیال در فرایند تراشکاری ( پرداخت ) فولاد ۱۰۴۵ بود ، که در آن از ابزار کار باید پوشش دار استفاده شده است . مهمترین نتیجه این بود که وقتی

سبال به سطح براده ابزار پاشیده می شود ، چسبندگی بین ابزار و براده زیاد بوده در نتیجه به هنگام جدا شدن براده ها از ابزار ( به علت جریان براده ) باعث کنده شدن ذرات ابزار شده و سبب گودال فرسایش می شود . هنگامی که از سیال استفاده نشد ، جذب براده به ابزار اتفاق افتاد ، ولی به اندازهای نبود تا ذرات ابزار را به هنگام جدا شدن از ابزار جدا کند ، بنابراین گودال فرسایش افزایش نیافت .

مهم ترین هدف استفاده از سیال در فرایند ماشینکاری کاهش دمای ناحیه برش به منظور افزایش عمر ابزار است . هرچند فواید استفاده از سیال به علت اثرات منفی روی هزینه تولید ، محیط و سلامتی انسان زیر سؤال می رود ، ماشینکاری خشک یک راه حل برای حذف سیال است . ماشینکاری خشک در بعضی از فرایندهای ماشینکاری به علت پیشرفت ابزارهای مقاوم در مقابل گرما امکان پذیر است . اخیراً آزمایشاتی انجام شده تا تحت شرایط خاص عمر ابزار ماشینکاری خشک مانند عمر آن در ماشینکاری با سیال کم فشار باشد . شرایط

ماشینکاری مختلف و ابزارهای متفاوت در خشن کاری و پرداخت فولاد ۱۰۴۵ استفاده شد . مشخص شد که تراشکاری با سیال موجب افزایش عمر ابزار می شود . در بیشتر آزمایشات ، در ماشینکاری خشک نمی توان عمق ماشینکاری را زیاد انتخاب کرد چون عمر ابزار بسیار کاهش می یابد . مهم ترین نتیجه این است که ماشینکاری خشک فقط این امکان وجود دارد که عمر ابزار مانند ماشینکاری با مصرف زیاد سیال باشد به شرطی که عمق ماشینکاری کم باشد (mm 1 یا کمتر ) و درجه کار باید به اندازه ای باشد که ابزار مقاومت سایشی بالایی

داشته باشد . با وجود این که استفاده از سیال به خصوص در فرایندهای پیوسته مانند تراشکاری عمر ابزار را نسبت به ماشینکاری خشک افزایش می دهد ، تلاش هایی برای افزایش عملکرد سیال انجام شده است ، مانند هدایت جریان سیال به ناحیه تماس و استفاده ازسیال پر فشار . پیکت و کلول اولین کسانی بودند که استفاده از سیال پر فشار را در تراشکاری

فولاد با ابزار HSS مطرح کردند . آن ها افزایش زیاد عمر ابزار را به هنگام استفاده از سیال پر فشار در مقایسه با روش مرسوم پاشش سیال کم فشار با دبی زیاد مشاهده کردند ، بنا بر گفته آن ها روش مرسوم نتایج خوبی در بر ندارد چون براده ها بیشتر از ابزار و قطعه کار خنک می شود . به علاوه سرعت کم نفوذ ، اجازه ی روغن کاری لبه های ماشینکاری را نمی دهد – وضعیتی که باعث لبه انباشته می شود . کامینسکی و آلولید معتقدند که روش مرسوم استفاده از سیال خیلی مؤثر نیست زیرا جت کم فشار نفوذ در سطوح را به تأخیر می

اندازد ، در نتیجه باعث افزایش دما و اصطحکاک در منطقه برش می شود . در تراشکاری ، افزایش فشار سیال ، کاهش مقدار سیال تزریق شده را ممکن می سازد . ازوگوو و بانی استفاده از سیال پر فشار را در خشن کاری ۸۱۷ Inconel پیشنهاد کردند . این دسته از مواد قابلیت ماشینکاری کمی دارند ، به دلیل هدایت گرمایی پایین ، دمای بالا و تنش های

فشاری در لبه های برش ، منجر ه برش سریع می شوند. سیال پر فشار ، روغن کاری را افزایش و دما را در سطوح ( ابزار – براده ) و ( ابزار – قطعه ) کاهش میدهد . فایده دیگر ، کاهش طول تماس براده و ابزار است که به کاهش دما کمک بیشتری می کند . ماچادو و والبانک آزمایشات زیادی برای بررسی تأثیر تزریق سیال پر فشار ( Mpa5 / 14 ) به سطح

براده ابزار در تراشکاری ۹۰۱ Inconel و Ti6A14v انجام داده اند . شرایط مختلف ماشینکاری بررسی شد و در هر مورد نتایج با روش مرسوم کاربرد سیال مقایسه شد . آن ها نتیجه گیری کردند که سیستم پر فشار ، دمای ماشینکاری را به مقدار زیادی کاهش می دهد . به علاوه به هنگام ماشینکاری آلیاژ تیتانیم سیستم خنک کننده پر فشار به مقدار زیادی عمر ابزار را در همه شرایط تست شده افزایش میدهد ، ولی در ماشینکاری نیکل سیستم پر فشار به طور کلی عمر ابزار را به دلیل وجود سایش شکافی کاهش می دهد .
ازوگوو عمر سرامیک مسلح به الیاف را در ماشینکاری Inconel 718 در سرعت های برش مختلف و سیالات با فشارهای مختلف تا Mpa3 /20 بررسی کرد . در همه سرعت های ماشینکاری ، عمر ابزار با افزایش فشار سیال تا Mpa15 افزایش می یابد ، هرچند عمر ابزار از فشار ۱۵ تا Mpa3 / 20 به علت ساییدگی شکافی در عمق ناحیه برش به سرعت کاهش می یابد . پژوهندگان ساییدگی شکافی را به سایش سرامیک نسبت داده اند ، که سایش سرامیک خود به علت فشار زیاد خنک کننده است . اوزوگوو همچنین عمر ابزار کار باید بدون پوشش و CBN را هنگام تراشکاری آلیاژ Ti-6Al-4v و بااستفاده از روش مرسوم و سیال پر فشار ( ۱۱ تا Mpa3 /20 ) بررسی کرد . هنگام استفاده از ابزار CBN (50% CBN و ۵۰% Tic سرامیک ) ، در سرتا سر دامنه ی فشاری ، عمر ابزار با افزایش فشار افزایش می یابد . به همگام استفاده از ابزار کار باید بدون پوشش ، عمر ابزار در سر تا سر دامنه فشاری ( از فشار روش مرسوم تا Mpa15 ) افزایش یافته ، ولی تا فشار Mpa 3 /20 تا حدی کاهش می یابد . پژوهشگران این کاهش را به عملکرد درجه جوشش سیال در لبه های ابزار نسبت داده اند ، ه علت اینکه جت سیال با سرعت بیشتری سطح ابزار را جارو کند ، در نتیجه مقدار سیال به جوش آمده را کاهش داده و گرمای کمتری منتقل می شود . همچنین آن ها تصور می کنند که فشار بهینه سیال به کل گرمایی که در حین ماشینکاری منتقل می شود بستگی دارد . در واقع سه خهت برای استفاده سیال در ماشینکاری وجود دارد : ( الف ) به سطح ابزار و براده ؛ ( ب ) به سطح ابزار و قطعه کار ؛ ( ج ) به سطح بالای براده . هر یک از سه جهت مزایا و معایبی دارند . بنا بر گفته های ترنت به علت تنش عمودی زیاد در سطح براده ابزار هنگام ماشینکاری ، یک منطقه چسبناک در سطح ابزار وجود می آید ، در جایی که سرعت صفر و منطقه تماس همان منطقه ای است که توسط چشم دیده می شود . به علت این که سرعت براده در این منطقه صفر است ، مقدار زیادی تنش برشی در داخل براده درست بالای این سطح ایجاد می شود . بنابراین ، گرمایی که در این منطقه تولید می شود بسیار زیاد است . از طرف دیگر سیال نمی تواند بین براده و ابزار در این منطقه نفوذ کرده و آن را روغن کاری کند ، زیرا تماس کامل بین ابزار و براده فضایی برای سیال باقی نمیگذارد . ماداچو و والبانک گفتند که فشار بالای سیال قادر خواهد بود حجم این منطقه را به مقدار کمی کاهش دهد ، که تا حدی به کاهش دما در این منطقه کمک می کند . نزدیک این منطقه بر روی منطقه تماس ابزار و براده ، منطقه دیگری به نام منطقه لغزش وجود دارد ، که تماس در این منطقه خیلی شدید نیست و نفوذ سیال امکان پذیر است . ماداچو و والانک گفتند که با استفاده از سیال پر فشار این منطقه به مقدار قابل توجهی کوچک می شود . هنگامی که سیال به سطح ابزار و قطعه کار در فرایند تراشکاری هدایت می شود ، باید بر مقدار هوایی که توسط چرخش قطعه کار جابجا می شود غلبه کند . این امر مانع نفوذ سیال شده و به آن اجازه نزدیک شدن به سطح را نمی دهد . این مشکل با هفزایش سرعت بیشتر می شود . به دنبال آن ، وقتی که سیال کم فشار به این منطقه پاشیده شود ، با افزایش سرعت ماشینکاری کمتر قادر به افزایش عمر ابزار خواهد بود وقتی که سیال از بالا به براده پاشیده شود ،عمل روغن کاری را انجام نداده و براده بسیار بیشتر از قطعه کار و ابزار خنک می شود . شاید این علت کاهش عمر ابزار باشد ، چون براده سخت تر شده و باعث افزایش سایش ابزار می شود . کار حاضر با هدف بررسی فواید سیال پر فشار در جهات مختلف در تراشکاری فولاد است .
حالت تجربی
آزمایش ها روی یک دستکاه تراش CNC انجام شد. سیال مورد استفاده یک روغن امولسیون گیاهی شامل ۶% آ بود . تست های تراش روی میله فولادی ۱۰۴۵ ا میانگین سختی ۹۶HRB انجام شد . سه نوع آزمایش انجام شد : سیال پر فشار ( با دبی بالا و پایین ) ، ماشینکاری خشک ، روش مرسوم استفاده از سیال ( کم فشار ، دبی بالا ، بدون جهتمشخص ). در آخر روش خنک سازی ، فشار سیال ۰/۰۴Mpa و دبی آن ۹۱ min – ۱ می باشد . سه جهت برای سیال پر فشار استفاده شد : ( الف ) به سمت سطح ابزار و براده ( سطح براده ) ، ( ب ) به سمت سطح ابزار و قطعه کار ( سطح آزاد ) و ( ج ) به سمت هر دو سطح آزاد و براده . در آخرین روش دبی به دو قسمت در دو جهت تقسیم می شود تا دبی کل برابر دبی آزمایشات دیگر باشد . شکل ۱

 

موقعیت لوله هایی را که برای هدایت سیال به سمت هر دو سطح ابزار – براده و ابزار – قطعه کار استفاده می شود نشان می دهد . جدول ۱ شرايط
ماشینکاری ، دبی ، جهت مورد استفاده در آزمایشگاه پر فشار را نشان می دهد

. سرعت ماشینکاری ، عمق تراش و آهنگ پیشروی نشان داده شده در جدول ۱ برای آزمایش های استفاده ی مرسوم از سیال و ماشینکاری خشک استفاده شده است ، هر آزمایش حداقل دو بار انجام شده است . ابزارهایی که در این آزمایشات استفاده شد بر اساس استاندارد ISO ، SNMG120408-PF درجه۱۵P ، با سه لایه TiCN ، Al2O3 و TiN است . در حین آزمایشات ، سایش ابزار با میکروسکوپ نوری اندازه گیری شد . وقتی که ماکزیمم سایش سطح آزاد ابزار ( VBmax ) به mm3/0 رسید ، آزمایش تمام شده و عمر ابزار به پایان رسیده است . سپس ابزار برای تجزیه و تحلیل دقیق علت سایش با میکروسکوپ ( SEM ) توسط آنالیزهای EDS مورد بررسی قرار می گیرد .
نتایج و تحلیل ها

۱٫ عمر ابزار
شکل ۲ میانگین مقدار براده ای را که به ازای یک ابزار به وجود می آید (
مقدار براده تولید شده در لحظه ای که سایش سطح آزاد ابزارmm 3/0 VBmax = بشود ) برای همه آزمایشات نشان می دهد

. از روی شکل مشخص است که به هنگام پاشش سیال پر فشار و با دبی بالا به طور همزمان به سطوح براده – ابزار و قطعه کار ابزار ، ابزار بیشترین عمر را دارد پاشش سیال با فشار بالا و دبی پایین به سطوح قظعه کار – ابزار باعث عمر کمتر ابزار نسبت به مورد الا می شود . عمر ابزار در سایر روش های پاشش سیال با تراشکاری خشک یا روش مرسوم پاشش سیال برابر یا حتی کمتر است . هدف بخش بعد فهم بهتر مکانیزم سایش ابزار است .
۲٫ پاشش سیال به سطح براده با Q = 11 l min – 1
شکل ۳ سطح براده و سظح آزاد ابزار را برای شرایط بالا در پایان عمر ابز
نشان می دهد

آنالیز EDS قسمت ” A ” شکل a. 3 نشان می دهد مقدار زیادی آهن ( Fe ) براده ، جذب سطح براده شده است ، که موجب گودال فرسایش و از بین رفتن لبه ابزار می شود ( قسمت ” F ” ، شکل b . 3 ) . این همان چیزی است که ترنت آن را ساییدگی attrition نامید که در سطح براده ابزار اتفاق می افتد . ذراتی از براده به ابزار چسبیده و به علت جریان سیال ، پوشش روی ابزار و لایه زیرآن توسط آن ذرات از بین می رود . علاوه بر این ذرات جدا شده از ابزار که روی ابزار کشیده می شود . در این شرایط به علت فشار بالا و دبی بالا ، سیال

اجازه افزایش دما براده را نمی دهد و در نتیجه براده سخت می ماند . خراش ها در سطح آزاد نشان فرسایش مکانیکی در آنجا است ( قسمت ” B ” ، شکل b . 3 ) ، نکته قابل توجه دیگر در قسمت ” D ” نشان داده شده است . در میکروسکوپ نوری ، این جز به شکل خط راه راه سیاه ، اطراف نقطه سایش است . تحلیل EDS وجود روی ، فسفر و گوگرد را در این ناحیه نشان می دهد . به گفته سازنده سیال خنک کننده ، این مواد در الحاقات سیال وجود دارد . بنابراین این امکان وجود دارد که یک واکنش ترمو شیمیایی بر روی ابزار اتفاق افتاده

باشد . مواد عالی سبال احتمالاً با اکسیژن سوخته و لایه های راه راه سیاه را ه وجود آورده است . این امکان وجود دارد که این واکنش شیمیایی مقاومت ابزار را در این ناحیه پایین آورده و سبب فرسایش بیشتر ابزار شود . نکته دیگر این است که سیال نمی تواند بین براده و ابزار برای روغن کاری نفوذ کند ، چون اثری از سیال در ناحیه گودال فرسایش پیدا نشد . بنابراین می توان نتیجه گرفت که این روش استفاده سیال به ابزار آسیب رسانده ، چون سطح را به علت وجود اصطحکاک روغن کاری نمی کند و همچنین واکنش شیمیایی بین سیال و ابزار سبب کاهش مقاومت سایشی ابزار می شود .
۳٫ پاشش سیال به سطح آزاد با Q = 11 l min

شکل ۴ سطح آزاد و سطح براده را برای این شرایط خنک کاری پس از اتمام

عمر ابزار نشان می دهد . نکات مختلفی در این آزمایش شایسته بحث و تفسیر است . اولاً بر خلاف آزمایش قبل در این جا گودال فرسایش اتفاق نیفتاد ، چون سیال به طور مستقیم با براده در تماس نبود ، به نظر می آید براده جذب سطح براده شده است ( قسمت ” A ” ، شکل a 4 ). اما ، به علت دمای بالا ، استحکام کافی برای جدا کردن ذرات ابزار عد از جدا شدن از سطح ابزار را نداشته است . بنابراین ، می توان گفت که چون سطح براده پوشیده از ذرات براده است ، ابزار در مابل سایش هایش دیگر نظیر سایش نفوذی مقاوم می شود

. ثانیاً سطح آزاد پوشیده از ذرات قطعه کار است که به آن چسبیده است ( قسمت ” A ” ، شکل b 4 ). نشانه های سایش را می توان در سطح آزاد دید . در حین آزمایش ، با استفاده از میکروسکوپ نوری مشخص شد که چسبیدن ذرات قطعه کار به سطح آزاد ، پس از بیشتر شدن سایش سطح آزاد از mm15/0 شروع میشود. بنابراین با توجه به این نکته می توان فرض کرد که سایش و نفوذ هر دو همزمان روی این سطح اتفاق می افتد . ثالثاً ، مانند آنچه در سطح براده در حین پاشش سیال اتفاق افتاد ( شکل ۳ a ). شکل ۴ b لایه

های راه راه سیاه رنگ را روی سطح آزاد ( قسمت ” D ” ) و اطراف منطقه سایش نشان می دهد . واکنش شیمیایی بین سیال و ابزار این لایه ها را به وجود آورده ، خصوصیات ابزار را از بین برده و سایش ها را شدت بخشیده است .شاید به همین دلیل است که عمر ابزار در این شرایط کمتر از وقتی است که سیال با همان فشار ولی با دبی کمتر استفاده می شود . رابعاً ، این نکته قابل توجه است که سیال نمی تواند سطح بین ابزار وقطعه کار نفوذ کند ، به همین دلیل است که اثری از سیال در تحلیل EDS دیده نمی شود .