โลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัมเป็นวัสดุที่ตัดเฉือนได้ยาก โดยมีต้นทุนการประมวลผลสูง ประสิทธิภาพในการประมวลผลต่ำ และการสึกหรอของเครื่องมืออย่างรุนแรง การใช้ซอฟต์แวร์วิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์ของ ABAQUS ได้สร้างแบบจำลองการกัดสามมิติของโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัมขึ้น และศึกษากระบวนการกัดโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัมสำหรับพารามิเตอร์การตัดที่แตกต่างกัน กฎการเปลี่ยนแปลงของแรงตัดและอุณหภูมิในการตัดได้รับการตรวจสอบโดยการทดสอบการกัดเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของแบบจำลอง การผสมผสานที่เหมาะสมที่สุดของพารามิเตอร์การตัดได้มาจากการทดลองมุมฉาก กล่าวคือ ความเร็วตัด vc=60m/s, ap การเข้าปะทะด้านหลัง=3มม., อัตราป้อนต่อฟัน fz=0.16 มม./z .
คำนำ
1
ทังสเตนและโมลิบดีนัมอุดมไปด้วยปริมาณสำรองและแพร่หลายในประเทศของฉัน ทังสเตนและโมลิบดีนัมอยู่ในองค์ประกอบกลุ่ม VIIB ในตารางธาตุ และเป็นโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูงโดยทั่วไป เนื่องจากโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัมมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าและมีความหนาแน่นต่ำกว่าทังสเตนบริสุทธิ์ จึงรวมข้อดีของทังสเตนและโมลิบดีนัมเข้าด้วยกัน ความต้านทานการกัดกร่อนและการระเหย [1] ดังนั้นจึงกลายเป็นวัสดุที่สำคัญในด้านการบินและอวกาศ สามารถใช้ในหัวฉีดเครื่องยนต์จรวดและส่วนประกอบสำคัญของกังหันก๊าซ และมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขึ้นในด้านอุตสาหกรรมในอนาคต
เพื่อศึกษาหลักการตัดของโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัม นักวิชาการได้ดำเนินการวิจัยจำนวนมาก เมื่อ Luo Zhengchuan [2] ใช้เครื่องมือซีเมนต์คาร์ไบด์ในการตัดโลหะผสมที่มีทังสเตน การสึกหรอของเครื่องมือนั้นรวดเร็วมาก และรูปแบบการสึกหรอหลักที่ทำให้เครื่องมือซีเมนต์คาร์ไบด์ล้มเหลวคือพื้นที่การสึกหรอรูปสามเหลี่ยมที่ปรากฏที่จุดตัดของชิ้นส่วนหลัก ปีกและปีกเสริม สาเหตุหลักของการสึกหรอของเครื่องมือคือการสึกหรอทางกลที่เกิดจากจุดแข็ง และการแพร่กระจายของโคบอลต์เป็นสารยึดเกาะในซีเมนต์คาร์ไบด์จะช่วยเร่งการสึกหรอของเครื่องมือ เมื่อทำการตัดโลหะผสมที่มีทังสเตน Ye Yi [3] พบว่าเครื่องมือซีเมนต์คาร์ไบด์ที่มี WC ที่มีเกรนละเอียดหรือละเอียดพิเศษพร้อมการเคลือบที่ทนทานต่อการสึกหรอบนพื้นผิวมีอายุการใช้งานที่สั้นลง การตัดเฉือนโลหะผสมนั้นไม่ประหยัด เครื่องมือเซรามิกคอมโพสิตไม่เหมาะสำหรับการตัดวัสดุโลหะผสมทังสเตนสูงและอายุการใช้งานของเครื่องมือเพชร PCD ไม่ได้ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับซีเมนต์คาร์ไบด์ที่ใช้ WC ทังสเตนและวัสดุโลหะผสมได้รับการประมวลผลอย่างดีที่สุดด้วยเครื่องมือตัด PCBN และเกรดที่มีปริมาณ CBN มากกว่า (เช่น DBC80) เพื่อให้ได้รับประโยชน์เชิงเศรษฐกิจที่ดีขึ้น
ซอฟต์แวร์วิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ ABAQUS เป็นซอฟต์แวร์ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการจำลองการตัดโลหะ มีฟังก์ชันการวิเคราะห์แบบไม่เชิงเส้นที่มีประสิทธิภาพและสามารถรับรู้ถึงการเชื่อมต่อทางกลและความร้อนได้ โลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัมเป็นวัสดุที่ตัดเฉือนได้ยาก ซึ่งมีต้นทุนการประมวลผลสูง ประสิทธิภาพการประมวลผลต่ำ และการสึกหรอของเครื่องมืออย่างรุนแรง ดังนั้น บทความนี้จึงใช้ซอฟต์แวร์วิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์ของ ABAQUS เพื่อสร้างแบบจำลองการกัดสามมิติของโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัม แรงตัดและอุณหภูมิการตัดที่เกิดขึ้นในกระบวนการมีการเปลี่ยนแปลง และสุดท้ายจะได้ค่าพารามิเตอร์การกัดที่เหมาะสมที่สุดโดยผ่านการทดสอบมุมฉาก ซึ่งเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับกระบวนการกัดจริง
การสร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์โลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัม
2
2.1 แบบจำลองเรขาคณิตของเครื่องมือ
การจำลองใช้ดอกกัดใบมีดมาตรฐานซีเมนต์คาร์ไบด์ 4- และข้อกำหนดจะแสดงในตารางที่ 1 โมเดลหัวกัดถูกสร้างขึ้นโดยใช้ซอฟต์แวร์การสร้างแบบจำลอง SolidWorks 3D ดังแสดงในรูปที่ 1 เนื่องจากวัตถุประสงค์ของการศึกษานี้ คือการวิเคราะห์ความแปรผันของแรงตัดและอุณหภูมิการตัดภายใต้พารามิเตอร์การกัดที่แตกต่างกัน และเมื่อพิจารณาว่าคมตัดหลักของเครื่องมือมีขนาดเล็กกว่าชิ้นงานมาก จึงถือว่าเครื่องมือนั้นเป็นตัวเครื่องที่มีความแข็งแกร่งในการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ของ ABAQUS โดยไม่คำนึงถึง การเสียรูปและการสึกหรอของเครื่องมือ พารามิเตอร์ทางกายภาพของเครื่องมือแสดงไว้ในตารางที่ 2
ตารางที่ 1 รูปภาพข้อมูลจำเพาะของเครื่องมือ (หน่วย: มม.)
รูปภาพ
รูปที่ 1 รุ่นหัวกัด
ตารางที่ 2 พารามิเตอร์ทางกายภาพของเครื่องมือ
รูปภาพ
2.2 แบบจำลองโครงสร้างของวัสดุโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัม
วัสดุชิ้นงานจำลองในบทความนี้คือโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัม และพารามิเตอร์ประสิทธิภาพทางกายภาพและทางกลหลักแสดงอยู่ในตารางที่ 3[4]
ตารางที่ 3 พารามิเตอร์ทางกายภาพของวัสดุโลหะผสมทังสเตนโมลิบดีนัม
รูปภาพ
ในกระบวนการตัดโลหะ ในกรณีส่วนใหญ่ วัสดุจะเกิดการเสียรูปแบบพลาสติกยืดหยุ่นภายใต้อุณหภูมิสูง ความเครียดสูง และอัตราความเครียดสูง ดังนั้นการสร้างแบบจำลองวัสดุที่เหมาะสมจึงเป็นขั้นตอนสำคัญสำหรับการจำลองที่ประสบความสำเร็จ แบบจำลองวัสดุในบทความนี้ใช้แบบจำลองส่วนประกอบของ Johnson-Cook ซึ่งสามารถสะท้อนถึงผลกระทบจากการแข็งตัวของความเครียด ผลจากการแข็งตัวของความเครียด และผลกระทบจากความร้อนของวัสดุ และรูปแบบของมันคือ
รูปภาพ
ในสูตร σ คือความเค้นการไหล (MPa) ε คือสายพันธุ์พลาสติก ε0 คืออัตราความเครียดอ้างอิง T คืออุณหภูมิ ( องศา ); Tr คืออุณหภูมิห้อง ( องศา ); Tm คือจุดหลอมเหลวของวัสดุ ( องศา ); A, B, C, m และ n เป็นพารามิเตอร์วัสดุ และค่าต่างๆ แสดงในตารางที่ 4[5]
ตารางที่ 4 พารามิเตอร์แบบจำลองโครงสร้างของ Johnson-Cook ของวัสดุโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัม
รูปภาพ
2.3 เงื่อนไขการติดต่อและขอบเขต
สร้างคุณลักษณะการติดต่อ และเนื่องจากเครื่องมือนี้ถือเป็นวัตถุที่มีความแข็งแกร่งในระหว่างการจำลอง คุณจึงต้องสร้างข้อจำกัดด้านวัตถุที่เข้มงวดอีกอันหนึ่ง สร้างเงื่อนไขขอบเขตภายใต้ขั้นตอนการวิเคราะห์เบื้องต้นเพื่อจำกัดระดับความอิสระทั้งหมดที่ด้านข้างของชิ้นงาน เครื่องมือจำเป็นต้องจำกัดความอิสระ 4 องศา และตั้งค่าการหมุนและการเคลื่อนที่รอบแกน Z โดยที่ความเร็วในการหมุนคือความเร็วของแกนหมุน และความเร็วในการเคลื่อนที่คือความเร็วป้อน สร้างฟิลด์อุณหภูมิที่กำหนดไว้ล่วงหน้าและกำหนดอุณหภูมิของชิ้นงานเป็น 298K
2.4 การแบ่งตาข่าย
คุณภาพของการแบ่งตาข่ายมีอิทธิพลอย่างมากต่อผลลัพธ์การจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ ดังนั้น เมื่อทำการ meshing โมเดล ควรเลือกประเภท mesh unit ที่เหมาะสมก่อน และควรพิจารณาความถูกต้องและต้นทุนอย่างครอบคลุมเพื่อควบคุมความหนาแน่นของ mesh อย่างสมเหตุสมผล ยิ่งกริดหนาแน่นมากเท่าไร ความแม่นยำของผลลัพธ์การจำลองก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น แต่จะเพิ่มต้นทุนในการคำนวณด้วย ขนาดขั้นต่ำของตารางเครื่องมือและตารางชิ้นงานคือ 0.02 มม. และเครื่องมือและชิ้นงานจะถูกแบ่งออกเป็นตารางที่สม่ำเสมอตามลำดับ โครงสร้างเครื่องมือมีความซับซ้อน โดยใช้ตารางโครงสร้างแบบจัตุรมุขที่ไม่เป็นอิสระ ชนิดคือ C3D10MT และตารางเครื่องมือคือ 74400 หน่วย ชิ้นงานใช้ตารางที่มีโครงสร้างหกเหลี่ยม ตารางชิ้นงานคือ 26250 หน่วย และประเภทตารางชิ้นงานคือ C3D8RT เครื่องมือและชิ้นงานหลังจากการประกบจะแสดงในรูปที่ 2 และรูปที่ 3 ตามลำดับ
รูปภาพ
รูปที่ 2 ตารางเครื่องมือ
รูปภาพ
รูปที่ 3 ตารางชิ้นงาน
2.5 โซลูชันแบบจำลอง
ABAQUS/Explicit ใช้สำหรับการคำนวณแบบจำลอง และประเภทของขั้นตอนการวิเคราะห์คือขั้นตอนการวิเคราะห์ข้อต่อเชิงความร้อน-เครื่องกลที่ชัดเจนแบบไดนามิก หลังจากการคำนวณเสร็จสิ้น สามารถดูและวิเคราะห์ผลลัพธ์ได้ผ่านโมดูลหลังการประมวลผลของ ABAQUS ผลการจำลองการกัดจะแสดงในรูปที่ 4
รูปภาพ
รูปที่ 4 ผลการจำลองการกัด
การทดสอบมุมฉากจำลอง
3
3.1 การออกแบบการทดลอง
การทดลองนี้ศึกษาอิทธิพลของความเร็วตัด vc, ap การเชื่อมต่อด้านหลัง และอัตราป้อนต่อฟัน fz เป็นหลักต่อแรงตัดและอุณหภูมิการตัดในกระบวนการกัดโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัม ดังนั้นจึงมีการตั้งค่าตารางมุมฉากที่มีปัจจัย 3 ประการและ 4 ระดับ (ดู ตารางที่ 5) นั่นคือ รับ vc, ap และ fz เป็นตัวแปรอิสระ ปล่อยให้ความกว้างของการตัด ae=1 มม. แรงตัดขั้นต่ำ F และอุณหภูมิการตัดขั้นต่ำ T เป็นการตอบสนอง [6] ตามหลักการเลือกของตารางทดสอบมุมฉาก จะใช้ตารางมุมฉาก L16 และการจัดการการทดสอบและผลลัพธ์จะแสดงในตารางที่ 6
ตารางที่ 5 ปัจจัยและระดับมุมฉาก
รูปภาพ
ตารางที่ 6 ผลการทดสอบมุมฉาก
รูปภาพ
3.2 การวิเคราะห์ผลการจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์
วิธีช่วง R ใช้ในการวิเคราะห์ผลลัพธ์ของการทดสอบมุมฉาก และช่วงหมายถึงความแตกต่างระหว่างค่าสูงสุดและค่าต่ำสุดที่สอดคล้องกับดัชนีแต่ละระดับ วิธีการวิเคราะห์ช่วงหรือที่เรียกว่าวิธี R เป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุดในการวิเคราะห์ผลลัพธ์ของการทดลองมุมฉาก วิธีการนี้ประกอบด้วยสองโมดูลในการคำนวณและการตัดสิน และสามารถค้นหาปัจจัยหลักและรอง ระดับที่เหมาะสมที่สุด และปัจจัยผสมที่เหมาะสมที่สุดในการทดสอบ [7] หลักการของวิธี R คือการเปรียบเทียบช่วงของค่าในแต่ละคอลัมน์โดยการคำนวณช่วง ยิ่งช่วงกว้างขึ้น ปัจจัยที่มีต่อผลลัพธ์ซึ่งเป็นปัจจัยหลักก็จะยิ่งมีอิทธิพลมากขึ้นเท่านั้น จากนั้นจึงวิเคราะห์ผลลัพธ์ด้วยวิธีการวิเคราะห์ที่เข้าใจง่าย ใช้แรงตัดขั้นต่ำ F เป็นดัชนี ดูตารางที่ 7 สำหรับการวิเคราะห์ผลการทดสอบ ในตาราง K1, K2, K3 และ K4 คือผลรวมของผลการทดสอบในแต่ละระดับของแต่ละปัจจัยที่มีอิทธิพล และ k1, k2, k3 และ k4 เป็นค่าเฉลี่ยที่สอดคล้องกัน ค่า.
ตารางที่ 7 การวิเคราะห์ผลการทดสอบดัชนี F (หน่วย: N) รูปภาพ
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 ดังนั้น รูปแบบที่เหมาะสมที่สุดของดัชนี F คือ B1C2A2 นั่นคือ ความเร็วในการตัด vc คือ 60m/ s ปริมาณแรงป้อนต่อฟัน fz คือ 0.16 มม./z และจำนวน ap การตัดด้านหลัง คือ 2 มม. ใช้อุณหภูมิตัดต่ำสุด T เป็นดัชนี การวิเคราะห์ผลการทดสอบจะแสดงในตารางที่ 8
ตารางที่ 8 การวิเคราะห์ผลการทดสอบดัชนี T (หน่วย: K)
รูปภาพ
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>B ดังนั้นวิธีแก้ปัญหาที่ต้องการคือ A1B12C4 นั่นคือ ความเร็วตัด vc คือ 50ม./วินาที และอัตราการป้อนต่อฟัน ปริมาณ fz คือ 0.16 มม./z และปริมาณ ap คือ 4 มม.
การทดสอบการกัดโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัมและการตรวจสอบแบบจำลอง
4
4.1 การออกแบบการทดลอง
เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ของการทดสอบการกัดโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัม มีการใช้เครื่องแมชชีนนิ่งเซ็นเตอร์ JOHNFORD-VMC-850 สำหรับการกัด และดอกเอ็นมิลล์คาร์ไบด์ขอบ 4- มาตรฐาน เลือกเป็นเครื่องมือ (ดูรูปที่ 5)
รูปภาพ
รูปที่ 5 หัวกัด
ขนาดของแผ่นชิ้นงานคือ 150 มม. × 130 มม. × 45 มม. เพื่อยึดชิ้นงานบนไดนาโมมิเตอร์ รูยึดจะถูกประมวลผลบนชิ้นงานก่อนทำการกัด และเจาะรูด้วยดอกสว่านเหล็กทังสเตน φ8.6 มม. จากนั้นจึงใช้สลักเกลียวหัวซ็อกเก็ตหกเหลี่ยม M8 สำหรับยึด ในการทดลอง ไดนาโมมิเตอร์สามทาง KISTLER9257b ถูกนำมาใช้ในการวัดแรงตัด ไดนาโมมิเตอร์ได้รับการแก้ไขบนโต๊ะเครื่องมือกลด้วยแผ่นแรงดัน และวัดอุณหภูมิในการตัดด้วยเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรด การยึดไดนาโมมิเตอร์และชิ้นงานจะแสดงในรูปที่ 6 และกระบวนการวัดแรงและการวัดอุณหภูมิจะแสดงในรูปที่ 7
รูปภาพ
ก) การเจาะรูยึดด้วยเครื่องจักร
รูปภาพ
b) เกจวัดแรงได้รับการแก้ไขแล้ว
รูปที่ 6 การยึดเกจวัดแรงและชิ้นงาน
รูปภาพ
ก) การวัดแรงตัด
รูปภาพ
b) การวัดอุณหภูมิการตัด
รูปที่ 7 กระบวนการวัดแรงและการวัดอุณหภูมิ
4.2 การตรวจสอบแบบจำลอง
เลือกพารามิเตอร์การตัดสามกลุ่มสำหรับการทดสอบ ค่าจำลอง ค่าที่วัดได้ และข้อผิดพลาดของแรงตัดและอุณหภูมิในการตัดแสดงไว้ในตารางที่ 9 และตารางที่ 10 จะเห็นได้จากตารางที่ 9 และตารางที่ 10 ว่าข้อผิดพลาดสูงสุดของผลการจำลองคือ 15.6% ซึ่งอยู่ภายใน 20% ดังนั้นผลการทดสอบจึงตรงตามข้อกำหนดของการใช้งานทางวิศวกรรม
ตารางที่ 9 ค่าการจำลอง ค่าที่วัดได้ และข้อผิดพลาดของแรงตัด
รูปภาพ
ตารางที่ 10 ค่าการจำลอง ค่าที่วัดได้ และข้อผิดพลาดของอุณหภูมิการตัด
รูปภาพ
บทสรุป
5
ในบทความนี้ ซอฟต์แวร์การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ของ ABAQUS ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแบบจำลองการกัดสามมิติของโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัม ตามพารามิเตอร์การตัดที่แตกต่างกัน มีการศึกษากฎการเปลี่ยนแปลงของแรงตัดและอุณหภูมิการตัดที่เกิดขึ้นในกระบวนการกัดโลหะผสมทังสเตน-โมลิบดีนัม และได้รับพารามิเตอร์การกัดที่เหมาะสมที่สุดผ่านการทดลองมุมฉาก การรวมกัน ให้การอ้างอิงสำหรับการกัดจริง ข้อสรุปที่ได้รับมีดังนี้
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>A. ดังนั้น วิธีแก้ปัญหาที่เหมาะสมที่สุดของแรงตัด F คือ B1C2A2 ซึ่งก็คือ 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>B. ดังนั้น วิธีแก้ปัญหาที่เหมาะสมที่สุดของอุณหภูมิการตัด T คือ A1B1C4 ซึ่งก็คือ vc=50m/s, fz=0.16mm/ z,ap=4mm
3) พิจารณาประสิทธิภาพการตัดและคุณประโยชน์ในการประมวลผลจริงอย่างครอบคลุม และรับการผสมผสานที่เหมาะสมที่สุดของพารามิเตอร์กระบวนการ นั่นคือ vc=60m/s, fz=0.16mm/z, ap{4 }}มม.
