فهم تأثير ارتداء الحفرة على عملية تشكيل الرقائق

مقدمة

تم دراسة قطع المعادن ، باعتبارها عملية تصنيع مهمة تزيل المواد غير المرغوب فيها من قطعة العمل ، على نطاق واسع. كونه مصحوبًا بكل من التشوهات التي لا رجعة فيها ونقل الحرارة ، فإن القطع المعدنية مقترنةالعملية الميكانيكية الحرارية. بسبب التشوهات الكبيرة ، ومعدلات الإجهاد المرتفعة ، وارتفاع درجة حرارة كبيرة ، والاحتكاكات المفرطة ، وظروف التحميل المعقدة المشاركة في عملية القطع المعدنية ، فإن النماذج التحليلية الدقيقة هي جدامن الصعب التطور. معظم النماذج الحالية وصفية وليست تنبؤية ، ونتيجة لذلك ، لا يمكن تطبيقها مباشرة لتحديد ظروف القطع المثلى في مرحلة التصميم. من ناحية أخرى ، الطرق التجريبيةبطبيعته خاصة بالتكوين وتميل إلى أن تكون مكلفة للغاية لنمذجة عمليات التصنيع المعقدة. لذلك ، تصبح النماذج القائمة على عمليات المحاكاة العددية التفصيلية مهمة للغاية في تطوير النظريات التنبؤية للمعادنقطع.

كانت طريقة العناصر المحدودة (FEM) هي الأداة العددية الأكثر استخدامًا في محاكاة قطع المعادن منذ عام 1973 ، عندما تم تطبيق الطريقة لأول مرة على عمليات التصنيع النموذجية بواسطة Klamecki [1]. استخدام FEM في المعدنيمكّن تحليل القطع المرء من دمج العلاقة التأسيسية الحقيقية للمعادن (الشغل) ، من تصميم التفاعل بين الشريحة وأداة القطع بدقة ، ولأخذ الآثار الحدودية لسطح الرقاقة الحرة[2]. والأهم من ذلك ، أن FEM ، كتقنية المجال الكامل ، تسمح بتحديد الحقول الإجهاد والضغط ودرجة الحرارة في قطعة العمل وكذلك المعلمات العالمية (بما في ذلك قوة القطع وقوة التغذية وهندسة الرقائق). الالمعلومات التفصيلية عن توزيع الإجهاد ودرجة الحرارة أمر بالغ الأهمية في التنبؤ بظروف القطع المثلى. وبالتالي ، تم إجراء الكثير من الأبحاث حول محاكاة قطع المعادن باستخدام نماذج العناصر المحدودة المختلفة (FE) ،تمت مراجعة معظمها في [3-5].

عادةً ما يتضمن قطع المعادن ، كعملية لإزالة المواد ، تشوهات كبيرة ومعدلات إجهاد عالية جدًا. الشريحة المنتجة في عملية القطع على اتصال بوجه أشعل النار في منطقة مضغوطة للغاية تسبب الالتصاقالاحتكاك ، والذي سيتحول إلى احتكاك منزلق إلى أعلى وجه الأداة. إن التشوهات البلاستيكية الكبيرة والاحتكاكات المكثفة المشاركة في قطع المعادن تولد كمية هائلة من الطاقة الحرارية ، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة فيدرجة الحرارة. لذلك ، يجب التعامل مع عملية القطع كعملية ميكانيكية حرارية مقترنة. في الآونة الأخيرة ، بذلت جهود البحث على طول هذا الخط. للامتحان ، نموذج عنصر محدود سلالة الطائرة الحراريةتم تقديم النمذجة القطع المتعامد مع شريحة مستمرة بواسطة Lei et al. [6] ، التي أهملت قوى الاحتكاك على واجهة رقاقة الأدوات وتفترض تدفق حراري موحد يتم تطبيقه مباشرة على الشريحة لحسابنقل الحرارة الناتجة عن الاحتكاك. أبلغت Liu و Guo [7] عن نموذج FE الحراري المرن ، والذي تم تطويره لدراسة آثار احتكاك الأدوات والقطع المتسلسلة على الضغوط المتبقية في الطبقات المعنية. درجة الحرارةتم تقدير الارتفاع في الشغل في تحليلها باستخدام الحرارة الناتجة عن التشوهات البلاستيكية ، مع إهمال العمل الذي تم إنشاؤه بالاحتكاك وافتراض الظروف الوهمية. قدم Shet and Deng [8] تحليل Fe لـعملية قطع المعادن المتعامدة استنادًا إلى قانون الاحتكاك في كولوم المعدل ومعيار فصل الرقاقة القائم على الإجهاد. في دراستهم ، تم افتراض ظروف التدفئة الأديبة لتحديد ارتفاع درجة الحرارة المحلية في القصالمناطق الناجمة عن التشوهات البلاستيكية والعمل الاحتكاكي. نظرًا لوجود توصيل حراري دائمًا داخل قطعة العمل ، والشريحة وأداة القطع ، وبين الشريحة والأداة ، فإن التدفئة الأدياكية ليست سوى مجردالتقريب ، الذي قد ينتج عنه نتائج غير مقبولة ، خاصة عند استخدام سرعة خفض منخفضة أو متوسطة [9]. لذلك ، لا تزال نماذج FE المحسنة التي يمكن أن تمثل الاقتران الميكانيكي الكامل في عملية قطع المعادن فيبحاجة إلى.

في التعامل مع تآكل الأداة التي تحدث في عملية قطع المعادن المتعامدة ، حدد المحققون السابقون آليتين لتشكيل التآكل: ارتداء الحفرة وارتداء الجناح. آثار تغييرات هندسة الأدوات الناجمة عن الجناحتمت دراسة التآكل على عملية القطع على نطاق واسع [10-12] مع اهتمام خاص بحساب الإجهاد المتبقي في فصل الشريحة عن قطعة العمل. سيتم اعتبار التفاعل بين أدوات الرقاقة مزدحمة وسيمثل قانون كولوم. سيتم حل معادلة اتفاق الحرارة لتحديد حقل درجة الحرارة الناجم عن التدفئة بسبب التشوهات البلاستيكية والاحتكاكات. سوف رمز العنصر المحدود للأغراض العامة Abaqus [16]بمثابة الأداة الحسابية في النموذج الحالي. سيتم تحديد حقول الإجهاد ودرجة الحرارة في وقت واحد باستخدام Abaqus. تم إظهار جدوى هذا الرمز لمحاكاة قطع المعادن بنجاح فيالدراسات السابقة [6-8]. سيتم مقارنة جزء من النتائج التنبؤية التي تم الحصول عليها في النموذج الحالي بالبيانات التجريبية المذكورة في [14،15].

اعتبارات النمذجة

الافتراضات

يتم إجراء ثلاثة افتراضات رئيسية في هذا التحقيق. أولاً ، من المفترض أن تكون حالة سلالة الطائرة ، كما حدث في جميع الدراسات السابقة تقريبًا. نظرًا لأن عرض القطع أكبر بكثير من سمك الشريحة غير المشوهة ، فإن هذا الافتراض هومبررة. ثانياً ، في ضوء المعامل المرن الكبير لمادة الأداة بالنسبة إلى لوحة العمل ، يتم اعتبار أداة القطع جامدة تمامًا. هذا تقريب مقبول ، مثل الانحرافات المرنة للقطعالأداة غير ذات أهمية عند مقارنتها مع التشوهات البلاستيكية الكبيرة في قطعة العمل. أخيرًا ، تعتبر أداة القطع حادة تمامًا لتسهيل المحاكاة.

علاقة تأسيسية

تُعتبر أداة تصلب الزيت الصلب O1 في هذه الدراسة. يمكن تمثيل ضغوط Von Mises المكافئة لهذه المادة ، σ ، من خلال نموذج Johnson-Cook على أنه [15]SES. بالنسبة لتأثير ارتداء الحفرة ، تم الإبلاغ عن عدد قليل جدًا من الدراسات ، على الرغم من أن ميكانيكي تشكيل هذاISM مهم بنفس القدر. Komvopoulos و Erpenbeck [13]التحقيق في التأثيرات المشتركة لارتداء الحفرة وحافة المبنى (BUE) باستخدام نموذج FE وافتراض متساوي الحرارةنشوئها. لفهم بشكل أفضل تأثيرات هندسة الأدوات التي تسببها ارتداء الحفرة على معلمات القطع ، يجب تطبيق نموذج ميكانيكي حراري بالنظريرتبط بقوة مع ارتفاع درجة الحرارة أثناء عملية الآلات.

الهدف من هذه الورقة هو تطوير نموذج عنصر محدود ميكانيكي حراري كامل لمحاكاة عملية القطع المتعامد ، مع التركيز بشكل خاص على آثار ارتداء الحفرة. سلالة الحالة المستقرة والطائرةسيتم النظر في ظروف القطع. سيتم استخدام المعادلة التأسيسية لأداة تصلب النفط الصلب O1 ، والتي شكلهاتم تحديده مسبقًا باستخدام اختبار شريط Hopkinson المنقسمة [14،15]. سيتم استخدام معيار الإجهاد الحرج إلى حيث A و B و C و M و N هي ثوابت تأسيسية ، ε سلالة البلاستيك المكافئة Von ، ε · المكافئمعدل الإجهاد البلاستيكي ، ε · 0 معدل سلالة بلاستيكية مكافئة المرجع ، KT عامل يستخدم لضبط الإجهاد بسبب تأثيرات التليين الحرارية ، t 丰 درجة الحرارة المتماثلة ، t درجة حرارة الشغل ، و tmelt و t0 ، t0 ،على التوالي ، درجة حرارة ذوبان المادة ودرجة حرارة المحيطة المرجعية. بالنسبة إلى الفولاذ O1 الذي تم النظر فيه ، كانت هذه الثوابتتحددها Zheng و Sutherland [15] ، باستخدام اختبار شريط Hopkinson المقسم ، ليكون = 625.3 ميجا باسكال ، ب = 650.0 ميجا باسكال ، ن = 0.42 ، ج = 0.011 ، ε · 0 = 451 S-1 ، M = 1 ، T0 = 25 درجة مئوية و tmelt = 1500 درجة مئوية. خصائص المواد الشغل ، بما في ذلكواعتماد على درجة الحرارة عند الاقتضاء ، يتم سردها في الجدول 1. Eqs. (1) و (2) ، مع هذه المواد

الخصائص ، سيتم اعتمادها في هذه الدراسة لتمثيل السلوك التأسيسي للصلب.

1 nitial eleite element mesh

يظهر الشكل 1. عرض العنصر المحدود الأولي في الشكل 1. يبلغ عرض القطع ، 3.861 مم ، 76 مرة مثل عمق القطع ، 50.8 ميكرون ، وبالتالي يتم افتراض حالة سلالة الطائرة. يتم استخدام خمس طبقات من العناصر ، 10.16 ميكرون في كل طبقة ،لنمذجة تشكيل الرقاقة المحتملين. أربع طبقات من العناصر ، مع انخفاض ارتفاعاتها من أسفل قطعة العمل إلى سطح القطع وفقًا لقاعدة التحيز (أي نسبة ارتفاع العناصر المجاورة هي 0.6) ،تستخدم لقعة العمل تحت سطح القطع. لتسهيل تشكيل الرقاقة ، يفترض شريحة أولية ، والتي يتم تصميمها بواسطة خمس طبقات عناصر ، مع 20 عنصرًا في كل طبقة. هناك 640 عناصر سلالة الطائرة (معروفةكما CPET4 في ABAQUS) ، والتي هي أوباراميترية ، أربع عقدة وزيادة درجة الحرارة إلى جانب ، و 791 العقد المستخدمة في هذه الشبكة. تم تصميم العناصر الموجودة في الشريحة المحتملة بحيث تكون متورطة مع أحجامها فيالاتجاه الأفقي كونه أكبر من تلك الموجودة في الاتجاه العمودي. هذا التكوين ، الذي اقترحه في البداية من قِبل Stren-Kowski و Carroll [17] ، يمكنه تعويض التشويه الشديد للعناصر بسبب الضغط الشديد ، القصالانزلاق المتوترة والاحتكاك ، وبالتالي تجنب الاختلاف المحتمل خلال التكرارات العددية. يجب إجراء تشغيل التجارب والخطأ لتحديد أشكال وأحجام العناصر المناسبة [18]. في هذه الدراسة ، كانت جميع العناصر المستخدمةمحاكاة الشريحة المحتملة طولها 50 ميكرون ، وزاوية اتجاهها 70 درجة فيما يتعلق بالاتجاه الرأسي.

أداة القطع وارتداءها

في عمليات التصنيع العملية ، يكون ملابس الأدوات غير موحدة على طول الأداة. هذا يستلزم تحديد موقع ودرجة التآكل عندما يتم تحديد قيمة التآكل المسموح بها. محيط الأعلىعادةً ما تكون درجة الحرارة ، عند تصنيع الصلب المنخفض الكربون ، على مسافة على طول وجه الإشعاع بعيدًا عن الحافة المتطورة ، مما يؤدي إلى ارتداء في شكل حفرة تقابل محيط درجة الحرارة هذه [19]. نقطة واحدة نموذجيةيظهر الشكل 2 أداة مع ارتداء الحفرة ، حيث يتم اعتبار عمق الحفرة KT عمومًا كمقياس لكمية ارتداء الحفرة [20]. الحفرة كما هو موضح جزء من دائرة ، حيث تقيس KB المسافة الرأسية من مركزالدائرة إلى طرف أداة القطع. في عملية القطع التي تنطوي على تآكل الحفرة ، سوف تتدفق الحرارة من البقع الساخنة نحو الحافة المتطورة مع انقضاء وقت القطع أو ارتفاع سرعة القطع [19]. من ناحية أخرى ، قد تكون الحفرةتنشأ أيضًا من الحافة المتطورة عند تصنيع مواد الموصلية العالية. لذلك ، هناك نوعان من أنماط ارتداء الحفرة المحتملة قبل الوصول إلى عتبة التآكل المسموح بها ، أي ارتداء الحفرة مع KB = KM/2 و KB ＞كم/2. سيتم محاكاة أربع حالات في هذه الدراسة. وترد في الجدول 2 المعلمات الهندسية للأدوات ، وكلها لها نفس زاوية أشعل النار 10 ° ،.

كما هو مبين في الشكل 3 ، يتم تثبيت قطعة العمل على الأسطح السفلية واليمنى ، ويمكن أن تتحرك أداة القطع الأفق من اليسار إلى اليمين أثناء تقييدها رأسياً.

الشكل 1. الشبكة الأولية لنموذج العنصر المحدود. الشكل 2. تكوين وجوه الأداة.

وأيضًا ، يتم اعتبار السطح العلوي لقطعة العمل وأسطح الشريحة المعرضة للهواء ، كما أن الأسطح العلوية واليسرى للجزء المشكوكوبالتالي يمكن إهمالها. تظل الأسطح اليمنى والسفلية من قطعة العمل في درجة الحرارة الأولية ، حيث أنها تقع بعيدًا عن مناطق التشوه.

تم تصميم أداة القطع ، مع معاملها المرنة أكبر بكثير من تلك الخاصة بشركة العمل ، على أنها جسم جامد. نظرًا لأنه من المفترض أن تكون الأداة حادة تمامًا ، يجب تحديد جزء فقط من وجه أشعل النار من قبل اثنينالعنصر الصلب العقدة. يتم وصف القيود الحركية وأحمال الأداة بواسطة عقدة مرجعية ، وهي متصلة بالأداة الصلبة. يتم تعيين سرعة القطع للأداة من خلال هذه العقدة المرجعية مع الوقت المختارالفاصل الزمني وإزاحة الأداة المقابلة في الاتجاه الأفقي. قبل نمذجة تفاعل رقاقة الأدوات وفصل الرقاقة ، يجب تعريف اثنين من أزواج التلامس السطحي ، أي زوج رقاقة الأدوات الإمكاني وشغل الشريعة الشاملة زوج رقاقة. الشرط الأولي للزوج الأخير هو أن العقدتين المتطابقتين على طول خط الفراق المحتملين مرتبطان تمامًا. شرط أولي آخر في هذه الدراسة هودرجة الحرارة الأولية ، 25 درجة مئوية ، يتم فرضها على جميع العناصر.

في المنطقة المنزلق ، يُفترض معامل ثابت للاحتكاك ، µ ، ، بينما يتم فرض حد إجهاد القص المكافئ ، τmax. وبالتالي ، يمكن التعبير عن الإجهاد الاحتكاكي على الواجهةحيث σs هو الإجهاد الطبيعي على طول وجه أشعل النار. من الواضح أن نموذج الاحتكاك هذا يعتمد على قانون كولوم.

مكافئ. (3) يمثل المنطقة المنزلق ، بينما Eq. (4) يصف المنطقة العصي. لاستخدام Abaqus ، τmax = σ s/y'3تم تبنيها في هذه الدراسة ، حيث σ S هو إجهاد Von Mises المكافئ في منطقة القص الثانوية المجاورة لوجه الأداة. كتقريب ، يمكن حساب معامل الاحتكاك المتوسط ​​في المنطقة المنزلق من المقاسةقوى قطع وتغذية. يمكن تقدير max من تقسيم قوة التغذية المقاسة (عندما تكون زاوية أشعل النار 0 °) بواسطة منطقة التلامس المضبوطة على وجه أشعل النار [19]. في هذه الدراسة ، يتم الحصول على µ = 0.85 و τmax = 500 ميجا باسكالباستخدام البيانات التجريبية المقدمة في [14].

2.6. آثار درجة الحرارة

إن التشوهات البلاستيكية والاحتكاكات التي لا رجعة فيها على واجهة رقاقة الأدوات تولد الحرارة وتؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. تشوهات البلاستيك تؤدي إلىعندما يكون Q · p هو تدفق الحرارة الحجمي بسبب العمل البلاستيكي ، ηp عامل تحويل العمل البلاستيكي ، و L '، e · pare ، على التوالي ، موتر الإجهاد cauchy وموتر معدل الإجهاد البلاستيكي.

2.5. الاحتكاك على واجهة رقاقة الأدوات

التفاعل بين أداة القطع والرقاقة هو مشكلة اتصال معقدة. أظهرت الملاحظات التجريبية [21] أن هناك منطقتين متميزتين على وجه أشعل النار من أداة القطع ، أي المناطق الملتوية والمنزل.

الشكل 3. شروط الحدود في قطع المعادن المتعامدة (أداة مسطحة).

عندما يكون Q · f هو تدفق الحرارة الحجمي بسبب العمل الاحتكاري ، y · معدل الانزلاق ، ηf عامل تحويل العمل الاحتكاري ، ff جزء من الطاقة الحرارية التي يتم إجراؤها في الشريحة ، ويتم تعريف τfr بالقرب من Eq. (3). مع الإشارة إلى ذلكمعظم الأعمال البلاستيكية تتحول إلى حرارة ، ويأخذ ηp 0.9. أيضًا ، من خلال افتراض أن جميع الأعمال الاحتكاكية تتحول إلى حرارة ، سيتم استخدام ηf = 1.0 في هذه الدراسة البارامترية. يتم تحديد قيمة FF بواسطة الحراريةخصائص الأداة ومواد الشغل وكذلك التدرج درجة الحرارة بالقرب من واجهة رقاقة الأدوات. في هذه الدراسة ، يتم أخذ FF = 0.5 (المتوسط). تم استخدام قيم مماثلة لهذه المعلمات في الدراسات السابقة القائمةعلى نفس الحجج [6،22].

معادلة الطاقة التي تحدد حقل درجة الحرارةعندما يكون Q · = q · p + q · f هو معدل توليد الحرارة الحجمي الكلي ، ρ ، k و cp هي ، على التوالي ، الكثافة ، الوصية الحرارية والحرارة المحددة للمواد الشغل ، و 72 هو مشغل لابلاس. بوضوح ، Eqs. (1) ، (2)و (5)- (7) يوضح أن حقول الإجهاد والسلالة مقترنة بالكامل بحقل درجة الحرارة ، مما يؤدي إلى نموذج ميكانيكي حراري مقترن ، كما هو مذكور سابقًا. سيتم حل هذه المعادلات في وقت واحد باستخدام Abaqustoتحديد الإجهاد والإجهاد ودرجات الحرارة.

2.7. معيار فصل الرقاقة

هناك اثنين من تركيبات Fe الرئيسية ، أي الصيدات Lagrangian و Eulerian. في تكوين Lagrangian ، يتم ربط العناصر ، التي تغطي منطقة التحليل بالضبط ، بالمادة وتشوه معالشغل. من ناحية أخرى ، تعتبر تركيبة Eulerian العناصر الثابتة في الفضاء وتحسب خصائص المواد في المواقع المكانية الثابتة عندما يتدفق التزاوج عبر الشبكة.

في عملية التصنيع ، تفصل الشريحة ، التي تعد في البداية جزءًا من الشغل ، عن السطح المكون من طرف الأداة. لنمذجة هذه العملية باستخدام صياغة Fe Lagrangian ، يجب أن يكون معيار تحكم فصل الرقاقةأن تعطي. تم الإبلاغ عن العديد من هذه المعايير في الأدب. يمكن تصنيفها على أنها نوعين ، أي الجيولوجي والمادي [23]. وفقًا لمعيار الفصل الهندسي ، سيتم فصل الشريحة عندالمسافة بين طرف الأداة وأقرب عقدة قبل طرف الأداة تساوي أو أقل من قيمة معينة. عيب الطريقة الهندسية هو أنه ليس له معنى مادي. تستند المعايير المادية إلىقيم المتغيرات الفيزيائية المحددة ، مثل الإجهاد أو سلالة البلاستيك أو كثافة طاقة الإجهاد ، في العنصر الذي يتولى مباشرة على طرف الأداة. في مثل هذا المعيار المادي ، يتم وصف زوج من العقد المتزامنةكما هو الحال في البداية ، يُفترض أن يتم فصلها عندما تكون قيمة المتغير الفعلي المحدد في العنصر المخصص أكبر من قيمة العتبة المحددة.

يتم استخدام معيار الإجهاد الحرجة ، أحد المعايير البدنية ، في هذه الدراسة. يقول هذا المعيار أن عقدة العقدة الكراك عندما تكون الإجهاد المكافئ المحلي على مسافة محددة قبل طرف الكراك على الفراق المفترضيصل الخط إلى قيمة حرجة. يتم تعريف معيار الإجهاد الحرجة على أنه [16]

من المعروف أن تركيبة Lagrangian باستخدام معيار فصل العقدة لها أوجه قصور معينة [24]. ومع ذلك ، فإن بساطتها والتكلفة الحسابية المنخفضة المرتبطة تجعل هذه الصيغة أكثر جاذبية من غيرهاالأساليب ، بما في ذلك تقنيات إعادة الانقطاع المستمر [25] ، وصياغة الأوليرية والنهج التعسفي- الأوليري [24] ، لاستخدامها في الدراسات البارامترية التي تنطوي على حالات متعددة. وبالتالي ، فإن صيغة Lagrangian باستخدامتم اعتماد معيار الإجهاد الحرج (فصل العقدة) المذكورة أعلاه في الدراسة الحالية. يتضح شعبية هذه الصيغة من خلال استخدامها المكثف في العديد من الدراسات [8،26] وفي رموز الكمبيوتر الرئيسية (مثل Abaqus[16]).

النتائج والمناقشات

يتم محاكاة الحالات الأربع المدرجة في الجدول 2. يمكن تصنيفها على أنها ثلاثة أنواع من حيث هندسة الوجه الأداة: الوجه المسطح (الحالة 1) ، الوجه المجهول مع kb = km/2 (الحالة 2) ، والوجه المجهول مع kb ＞ km/2 (الحالات 3 و 4) . أكثرسيتم إيلاء الاهتمام هنا لتأثيرات ارتداء الحفرة مع KB ＞ km/2 ، لأن هذا النوع من ارتداء الحفرة هو الأكثر وضوحا في الممارسة العملية. النتائج التمثيلية التي قد تسلط الضوء الجديد على تأثير الهندسةيتم إرسال اختلافات في وجه أشعل النار في الأداة ، مثل موقع الحفرة ، وعمق الحفرة واتساع الحفرة ، في عملية القطع المتعامدة في هذا القسم. على وجه التحديد ، تتضمن هذه النتائج شبكات مشوهة وتوزيعات VONسلالة بلاستيكية مكافئة MISES ، فون MISES المكافئة ودرجة حرارة القطع ، ملف تعريف الإجهاد التلامس على واجهة رقاقة الأدوات ، وقوى القطع.

تم تعيين سرعة القطع لجميع الحالات الأربع4.064 م/ث. كقاعدة مرجعية للمقارنة ، يتم محاكاة حالة الوجه المسطحة أولاً ويتم مقارنة قوى القطع التي تم الحصول عليها والتحقق منها بواسطة البيانات التجريبية المذكورة في [15]. بعد ذلك ، آثار ارتداء الحفرةالتحقيق مع جميع الظروف الأخرى التي تبقى دون تغيير.

بشكل عام ، يجب أن تستمر أداة القطع في التحرك لمسافة 20 مرة على الأقل عمق القطع للتأكد من الوصول إلى تشكيل رقاقة الحالة المستقرة [18]. وبالتالي ، لكل حالة في هذه الدراسة ، مرت الأداة في2 مم على الأقل في ظل ظروف القطع المحددة نحو وجهتها. لإكمال كل محاكاة ، هناك حاجة إلى حوالي 2.5 ساعة من وقت وحدة المعالجة المركزية لمحطة عمل الشمس (Ultra SPARC-III 440 MHz).عندما يكون σ22 هو مكون الإجهاد الطبيعي في الاتجاه 2 (رأسي) عند النقطة المحددة ، τ21 إجهاد القص في الاتجاه 1 (الأفقي) في نفس النقطة ، و σf و τf هي ، على التوالي ، الفشل الطبيعي والقصضغوط مادة الشغل. العقد المستعبدة في البداية تنفصل عند f = 1 士! إذا ، أين! إذا كان التسامح المعطى. هناك حاجة عمومًا إلى محاكاة التجارب والخطأ لتحديد الموقف الذي يتم فيه تقييم الضغوط.

من المريح أخذ نصيحة الكراك لأن هذه النقطة والسلوك المفصل يثبت أنه مرضي بشكل معقول.

حالة مع أداة مسطحة

يظهر الشبكة المشوهة في الشكل 4. في هذا الشكل والأرقام اللاحقة ، يتم تعيين عامل التكبير على 3.5 ما لم يرد خلاف ذلك. تجدر الإشارة إلى أن العناصر المتخلفة في البداية تصبح عموديًا تقريبًاإلى وجه أشعل النار بعد المرور عبر منطقة القص الأولية. الزيادة في الارتفاعات والانخفاض في عرض العناصر تسبب سماكة رقاقة أعلى من عمق القطع.

الشكل 4. شبكة مشوهة (الحالة 1: أداة مسطحة).

تعاني الطبقة السفلية للعناصر من القص في المنطقة الأولية ، وتنزلق على طول وجه أشعل النار وتميل إلى الأمام قبل أن تتجول في وجه أشعل النار. تظل الطبقتين العليا من الجزء المطبخ مائلًا على الرغم من أنلقد انتقلت الأداة بعيدًا. وفقًا لذلك ، يتم إنشاء السلالات والضغوط المتبقية في قطعة العمل بعد الآلات.

يشير الشكل 5 إلى توزيع سلالة البلاستيك الفنية Von Mises. على ما يبدو ، يبدأ تشوه البلاستيك في منطقة القص الأولية على حدوده السفلية ويزداد مع استمرار تتحرك المادة نحو الحدود العليامن هذه المنطقة. لذلك ، بدلاً من طائرة القص التي تنبأت بها نظرية القطع المتعامدة الكلاسيكية [27] ، تتسع منطقة القص الأساسية لهذه الحالة عند تمتد من طرف الأداة إلى السطح الحر للرقاقة. زاوية القصتم الحصول عليها تجريبياً على أساس نظرية قطع المعادن الكلاسيكية 22 درجة [15]. من الواضح أن هذه الطائرة القص (مع زاوية القص 22 درجة) تقع داخل منطقة القص الأولية ، التي تتراوح زاوية القص من 14 إلى 23 درجة. أنهرأينا أن هناك تدرج سلالة ملحوظ من أسفل إلى أعلى الشريحة ، مع الحد الأقصى لقيمة الإجهاد الموجودة في الأسفل. هذا معقول جسديًا لأن العناصر الموجودة في الطبقة السفلية مرت عبرمنطقة القص الأولية وتتفاعل مع وجه أشعل النار عن طريق الاحتكاك. يوضح فحص الشكل 5 أيضًا أن جهلة السلالة البلاستيكية المتبقية على السطح المنصوص عليها في الأسفل على نفس الترتيبحدود منطقة القص الأولية.

يوضح الشكل 6 توزيع الإجهاد المكافئ لـ VON Mises ، ويشير إلى أن محيط الإجهاد الذروة Von Mises يشتملسلالة بلاستيكية مكافئة مبينة في الشكل 5

الشكل 5. ملامح سلالة بلاستيكية مكافئة Von Mises (الحالة 1: أداة مسطحة).

الشكل 6. ملامح Von Mises المكافئة (الحالة 1: أداة مسطحة).

خفض درجة الحرارة. أيضًا ، من المهم ملاحظة ظهور الإجهاد المكافئ المتبقي أسفل السطح المشغل وعلى السطح الخالي من الشريحة (انظر الشكل 6).

يوضح الشكل 7 توزيع درجة حرارة القطع. تبدأ زيادة درجة الحرارة عند الحدود السفلية لمنطقة القص الأولية وتستمر في الشريحة على الرغم من عدم وجود تشوه بلاستيكي مكثف (القص) بعيدًا عنمناطق القص. توصيل حسابات هذه الظاهرة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحرارة الناتجة عن التفاعل الاحتكاكي بين الأداة والرقاقة تساهم أيضًا في ارتفاع درجة الحرارة. لذلك ، تحدث أعلى درجة حرارة على طولواجهة رقاقة الأدوات. تجدر الإشارة إلى أن هناك تدرجًا بارزًا في درجة الحرارة في الشريحة ، على غرار التدرج المكافئ للسلالة البلاستيكية المعروضة في الشكل 5.

يوضح الشكل 8 ملف تعريف لضغوط الاتصال العادية والقص الموزعة على طول وجه أشعل النار. يوضح الشكل 8. حجم الإجهاد الطبيعي ، وهو ضاغط ، وهذا ينطبق على الأرقام اللاحقة التي تصفملامح التواصل مع الإجهاد. يتم ترقيم العناصر السطحية بترتيب تصاعدي من طرف الأداة إلى نهاية طول التلامس ، حيث تبدأ الشريحة في الابتعاد عن وجه الأداة. وينظر من الشكل 8 أن الإجهاد الطبيعييصل إلى أعلى قيمة له بالقرب من طرف الأداة ، ويخفض بشكل حاد في العنصر الثالث ، يتناقص تدريجياً من خلال العنصر رقم. 22 ، وأخيراً تقفز فجأة في نهاية الاتصال. يتم وضع ظاهرة الانزلاق اللذيذة بوضوح علىمنحنى إجهاد القص: تظل قيمة إجهاد القص ثابتة في المنطقة القريبة من طرف الأداة (أي المنطقة العصية) وتتناسب مع الإجهاد الطبيعي في بقية منطقة التلامس (أي المنطقة المنزلق). مثل هذاالملف الشخصي في اتفاق نوعي مع الملاحظات التجريبية لـ USUI و Takeyama [21].

يوضح الشكل 9 مقارنة بين قوى القطع المحاكاة والمحاكاة تجريبياً. من الواضح أن قوة القطع المحاكاة (FCS) وقوة التغذية (FTS) قد وصلت إلى قيم الحالة المستقرة بعد تحريك الأداة لنحو 1.2MM ، وهو ما يقرب من 24 ضعفا مثل عمق القطع. يتم توفير بيانات تجريبية للحالة المستقرة فقط لقوة القطع (FCE) وقوة التغذية (FTE) في [15] ، والتي تظهر أيضًا في الشكل 9. تموج قيم القوةهو

الشكل 7. حدود درجة حرارة القطع (الحالة 1: أداة مسطحة).

الشكل 8. توزيعات مكونات إجهاد الاتصال على واجهة رقاقة الأدوات (الحالة 1: أداة ثابتة).

ينسب إلى إصدار قوة الترابط للعقد المرتبطة في البداية أثناء Debond. يظهر كل من FCS و FTS زيادة حادة أولية. ينتج هذا عن الاتصال الأولي بين وجه الأداة والرقاقة المفترضة في البداية. أنهمابدأ في الارتفاع تدريجياً عندما تبدأ الشريحة الجديدة في التكوين. تُظهر مقارنة بين قوى القطع والأعلاف التي تم الحصول عليها من المحاكاة والتجارب اتفاقًا جيدًا. هذا يتحقق من نموذج العنصر المحدود الحالي ، والذي سيكونتستخدم لمحاكاة الحالات الثلاث الأخرى مع الأدوات المحفوظة بالأحواض المدرجة في الجدول 2 في الأقسام التالية.

قضية مع أداة محفوفة باللفائف لها KM/2

للكشف عن تأثير النوع الأول من ارتداء الحفرة (الحالة 2 في الجدول 2) على عملية القطع ، يتم استخدام أداة محدودة ، مع حفرة تبدأ من طرف الأداة ، بدلاً من أداة AT لإجراء المحاكاة. نفس المجموعة مننتائج تمثيلية ، كما هو موضح في التين. 10-15 ، يتم الحصول عليها ومقارنتها مع تلك التي تمت مناقشتها في القسم السابق.

كما هو موضح في الشكل 10 ، فإن وجود الحفرة لديه ملموس ملحوظ على تشكيل الرقاقة. تزيد الحافة الأمامية للمفتحة في الواقع من زاوية أشعل النار في الأداة ، مما يجعل التدفق الداخلي لسطح العمل أسهلالمواد في العطلة وبالتالي تقليل القص التي تعاني منها المادة في منطقة القص الأولية. ينشأ سمك الشريحة الأرق من تلك الموجودة في الشكل 4 نتيجة القص المنخفض في منطقة القص الأولية. المشوهتتوافق المواد بشكل وثيق مع سطح الحفرة. يلاحظ أن طبقة العنصر السفلي للرقاقة لا تعكس اتجاهها حتى تقتربيمنع الشريحة من الانزلاق على طول وجه أشعل النار المسطح الذي تلت ذلك. على هذا النحو ، يجب أن تتحمل حافة الحفرة الزائدة ضغطًا كبيرًا للغاية ، مما قد يتسبب في التزوير ، وبالتالي تنشأ منطقة القص الثانوية في محيط هذه الحافة. هذهيمكن تأكيده من خلال الإشارة إلى الشكل 11 ، حيث يبدأ كفاف السلالة البلاستيكية المكافئة لأعلى Von Mises بجوار حافة الحفرة الخلفية ويوجد محيط سلالة منخفضة في المادة على اتصال مع الجزء السفلي منحفرة. يشير فحص الشكل 11 إلى أن السلالة البلاستيكية المكافئة لـ VON MISES في منطقة القص الأولية أقل وأن عمق منطقة السلالة البلاستيكية المتبقية أسفل السطح المشغل أصغر بالمقارنة مع تلك الموجودةالشكل 5.

الشكل 9. قوى القطع مقابل إزاحة الأدوات (الحالة 1: أداة ثابتة).

الشكل 10. شبكة مشوهة (الحالة 2: أداة محفوظة).

الشكل 11. ملامح سلالة بلاستيكية مكافئة Von Mises (الحالة 2: أداة محفوظة).

الشكل 12. ملامح Von Mises المكافئة (الحالة 2: أداة الحفرة).

الشكل 13. حدود درجة حرارة القطع (الحالة 2: أداة محفوظة).

الشكل 14. توزيعات مكونات الإجهاد التلامس على واجهة رقاقة الأدوات (الحالة 2: أداة الحفرة).

يوضح الشكل 12 ملامح Von Mises المكافئة. يوجد اختلاف لافت للنظر في توزيع أعلى إجهاد Von Mises عند مقارنة التين. 6 و 12. بدلاً من الإقامة فقط في المنطقة الوسطى من الابتدائيةتغطي منطقة القص في الشكل 6 ، وهي أعلى محيط إجهاد Von Mises في الشكل 12 مساحة أكبر ، وتمتد من سطح كامل تقريبًا إلى السطح الخالي من الشريحة. الشباك القسرية بعيدًا عن الرقاقة

الشكل 15. قوى القطع مقابل إزاحة الأدوات (الحالة 2: أداة الحفرة).

يوضح الشكل 13 مركزًا مرفوعًا لأعلى محيط محيط ، ينشأ منه التدرج البارز. يتوافق موضع هذا المركز مع موقع حافة الحفرة الزائدة ، لأن العمل البلاستيكي والاحتكاكاليصل سطح الحفرة إلى الحد الأقصى في منطقة القص الثانوية الواقعة بالقرب من الحافة الخلفية.

يعطي ملف تعريف مكونات الإجهاد التلامس على واجهة الأدوات ، كما هو موضح في الشكل 14 ، معلومات مباشرة عن التفاعل الميكانيكي بين قاع الرقائق وسطح الحفرة. هناك انخفاض حاد في الطبيعةالإجهاد حول الحافة الأمامية للمحفظة (بالقرب من العنصر 3) ، ثم يستمر الضغط الطبيعي في الزيادة في الفترة الخلفيةالحافة ، حيث تكون قيمة الإجهاد حوالي ثلاثة أضعاف حجمها في الحافة الأمامية. في الواقع ، يتضح من الشكل 14 ذلكتلعب الحافة الزائدة دورًا أكثر أهمية في دعم الشريحة من الجزء المتبقي من الحفرة. يبقى غالبية قاع الرقائق على اتصال مع سطح الحفرة تحت حالة الالتصاق (أي ،مع إجهاد القص المستمر). سيتم ارتداء الأحمال الميكانيكية والحرارية الشديدة الشديدة التي تعمل عند الحافة الخلفيةهذه الحافة بسرعة وتسريع نمو الحفرة في الاتجاه العلوي.

يوضح الشكل 15 قوى القطع (FC) وقوى التغذية (FT) ، والتي تكون أصغر حوالي 100 N عند مقارنتها مع تلك الموجودة في الشكل 9. ويرجع ذلك إلى الحد الكبير لطول التلامس ، أي نصف ذلك للحالة 1 ، على الرغم من الذروةالإجهاد الطبيعي في الشكل 14 أعلى من ذلك في الشكل 8.

الحالات ذات الأداة المحفوفة باللف

تتم دراسة تأثير النوع الثاني من ارتداء الحفرة (الحالات 3 و 4 في الجدول 2) على عملية قطع المعادن في هذا القسم الفرعي. يختلف عن النوع الأول (الحالة 2) ، هذا النوع من الحفرة على مسافة بعيدة عن القطعEdge ، أي ، يبقى الحفرة بين قسمين من AT Tool Face.

لذلك ، فإن زاوية أشعل النار في محيط طرف الأداة هي نفس زبدة الأداة المسطحة (الحالة 1). يتم محاكاة حالتين (أي الحالات 3 و 4) للتحقيق في آثار المعلمات المختلفة للمحفظة. في الحالة 3 ، العمقKT واتساع 2 (كيلومتر كيلو بايت) من الحفرة (انظر الشكل 2) أصغر من تلك الموجودة في الحالة 4 ، في حين يُفترض أن تكون المسافة من طرف الأداة إلى الحافة الأمامية للكرات هي نفسها بالنسبة للحالتين. أيضا ، KT هو نفسه بالنسبة للحالة 2 والحالة 4 (انظر الجدول 2). وتظهر النتائج التمثيلية في التين. 16-21 للحالة 3 وفي التين. 22-27 للحالة 4. في ما يلي ، تتم مقارنة نتائج الحالات 3 و 4 أولاً مع حالات 1 و 2. ثم تتم مقارنة الحالات 3 و 4لبعضهم البعض لتوضيح خلافاتهم وأوجه التشابه.

مقارنة مع تلك الموضحة في التين. 4 و 10 ، الشبكات المشوهة في التين. يوضح 16 و 22 أن الرقائق التي تشكلت مع أداة فوهة من النوع الثاني هي أرق ، وعناصر في الطبقات السفلية من الرقائق تخترقتشوهات وعكس اتجاهاتها فقط بعد الانتقال إلى ما وراء منطقة التلامس ، ويحدث تشوه قليلة جدًا (بلاستيكية) أسفل السطح المشغل. إن وجود الحفرة يقيد الاتصال بين الأداةوالرقاقة وتعزز الشباك. تين. يشير 17 و 23 إلى أن محيط أعلى سلالة بلاستيكية مكافئة في كلتا الحالتين 3 أو 4 ، الموجود في الجزء السفلي من الشريحة ، يبدأ من طرف الأداة ، وهو ما يشبه حالة الحالة1 (الشكل 5) ولكن يختلف عن الحالة 2 (الشكل 11). الحد الأقصى لقيم السلالة البلاستيكية المكافئة هنا في الحالات 3 و 4 أعلى من تلك الموجودة في الحالات 1 و 2 ، مما يعني تشوهات أكثر كثافة تحدث في القص الثانويالمناطق في الحالتين السابقتين. لا يمكن ملاحظ السلالة المتبقية أسفل السطح المشغل. ملامح Von Mises المكافئة ، كما هو موضح في التين. 18 و 24 ، تكشف توزيع الإجهاد الوسيط بين واحدفي الشكل 6 والآخر في الشكل 12. تتركز المعالم ذات أعلى الإجهاد المكافئ في المنطقة الوسطى من منطقة القص الأولية ، في حين يتم توزيع الخطوط التي تحتوي على ثاني أعلى إجهاد مكافئ في منطقة أكبر ،تمتد على طول

الشكل 16. شبكة مشوهة (عامل التكبير: 6) (الحالة 3: أداة محفوظة).

الشكل 17. ملامح سلالة بلاستيكية مكافئة Von Mises (الحالة 3: أداة محفوظة).

الشكل 18. ملامح Von Mises المكافئة (الحالة 3: أداة الحفرة).

منطقة القص الأولية ومن الجزء المستقيم من وجه الأداة إلى سطح الشريحة الحرة. يظهر توزيع درجة حرارة القطع في التين. 19 و 25. في كلتا الحالتين 3 أو 4 ، عرض الكفاف بأعلىدرجة الحرارة أصغر بكثير من ذلك في الحالة 1 (الشكل 7). يركز هذا الكفاف عند الحافة الأمامية للمحفظة لكلا الحالتين 3 و 4 ، بدلاً من التركيز على حافة الفتحة في الحالة 2 (الشكل 13). فحص التين. 20و 26 يوضح أن هناك انقطاع في توزيعات الإجهاد التلامس. يحدث هذا بسبب فقدان التوافق المترجمة بين الأداة

الشكل 19. حدود درجة حرارة القطع (الحالة 3: أداة محفوظة).

الشكل 20. قوى القطع مقابل إزاحة الأدوات (الحالة 3: أداة الحفرة).

الشكل 21. توزيعات مكونات الإجهاد التلامس على واجهة رقاقة الأدوات (الحالة 3: أداة محفورة).

FaceAndthechipduetothenon-smoothattheinstritions من حواف الحفرة وقطاعات الأدوات المسطحة. بالمقارنة مع الحالة 2 (انظر الشكل 14) ، يحدث الإجهاد الطبيعي الذروة الأكبر في الحالة 4 (الشكل 26) عند الحافة الأمامية للمحفظةالمقابلة لموضع أعلى درجات الحرارة. بدلاً من الاتجاه الواضح للنمو السريع للمحفظة في الاتجاه الصعودي (على سبيل المثال ، على الحافة الخلفية) في الحالة 2 ، هنا في الحالة 4 ، تكون الحافة الأمامية أكثر عرضة للارتداء.

كل من قوى القطع والأعلاف في الحالات 3

الشكل 22. تشوه ED MESH (عامل التكبير: 6) (الحالة 4: أداة الحفرة).

الشكل.

الشكل 24. ملامح Von Mises المكافئة (الحالة 4: أداة الحفرة).

الشكل.

الشكل 26. قوى القطع مقابل إزاحة الأدوات (الحالة 4: أداة الحفرة).

الشكل 27. قوى القطع مقابل إزاحة الأدوات (الحالة 4: أداة الحفرة).

و 4 ، كما هو موضح في التين. 21 و 27 ، أصغر من تلك الموجودة في الحالة 2 (الشكل 15) لأن كمية أقل من الشريحة على اتصال حميم مع وجه الأداة.

من الشكل 16 (الحالة 3) يلاحظ أن الشرائح تنزلقفوق الحفرة دون لمس سطح الحفرة بسبب صغر حجم الحفرة. من الواضح أن الموقف مختلف عندما يزداد عمق واتساع الحفرة ، كما هو مبين في الشكل 22 (الحالة 4). في الحالة 4 ، تتحول المادةفي الحفرة في الزاوية الرائدة ويجبر على الابتعاد عند الحافة الخلفية بعد الانزلاق على طول سطح الحفرة بأكملها. ينتج عن المنحدر التدريجي في الجزء العلوي من الحفرة أقل تجعيدًا من ذلك في الحالة 3 (الشكل 16).

توزيعات السلالة البلاستيكية المكافئة متشابهة تمامًا للحالات 3 و 4 ، كما هو موضح في التين. 17 و 23. ومع ذلك ، فإن أكبر سلالة بلاستيكية مكافئة في الحالة 4 أكبر ، لأنه في هذه الحالة يجب أن تستدير الشريحةركن حاد قبل الدخول إلى الحفرة. يمكن أن يعزى الفرق البسيط بين توزيعات الإجهاد المكافئ لـ Von Mises في الحالات 3 و 4 (انظر الشكلان 18 و 24) إلى نصف قطر الشباك للبطاطا. تجعيد أصغريؤدي نصف القطر إلى مزيد من الضغط يتركز على الركن العلوي من منطقة القص الأولية ، كما هو مبين في الشكل 18 (الحالة 3). من المهم أن نلاحظ أن أعلى محيط درجات الحرارة في الحالة 3 يغطي منطقة من طرف الأداة إلىالحافة الزائدة من الحفرة ، كما هو مبين في الشكل 19 ، بينما في الحالة 4 ، فإن أعلى درجة حرارة محيط في الحافة الأمامية ، كما هو موضح في الشكل 25. أيضًا ، يحدث الذروة الطبيعية في الحافة الخلفية في الحالة 3 ، مثل يظهر فيالشكل 20 ، بينما في الحالة 4 (الشكل 26) يتم الوصول إلى ذروة الإجهاد الطبيعي عند الحافة الأمامية. ستؤدي الإجراءات الميكانيكية والحرارية إلى نمو الحفرة بشكل أسرع في الاتجاه العلوي (أي على الحافة الخلفية) فيالحالة 3 ولكن في الاتجاه السفلي (على سبيل المثال ، عند الحافة الأمامية) في الحالة 4. وأخيراً ، يجب الإشارة إلى أن الإجهاد الطبيعي في الحافة الأمامية مرتفع أيضًا في الحالة 3 (الشكل 20) ، مما يعني أن سوف تنمو الحفرة أيضابشكل كبير في الاتجاه السفلي ، على الرغم من أن معدل النمو قد يكون أصغر من المعدل في الحافة الخلفية.

الاستنتاجات

تم تطوير نموذج العناصر المحدودة الميكانيكية الحرارية المزدوجة بالكامل لمحاكاة عملية قطع المعادن المتعامدة ، مع التركيز على تأثيرات الاختلافات الهندسية في وجه أشعل النار في الأداة. بناء على نتائج المحاكاة والتحليلات المقدمة ، يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية:

يمكن أن يصف هذا النموذج الميزات الرئيسية لعملية قطع المعادن المتعامدة. في الحالة باستخدام أداة مسطحة ، تتفق قوى القطع والتغذية المحاكاة مع البيانات التي تم الحصول عليها تجريبياً [15] ، والتي تتحققالنموذج الحالي.

إن وجود حفرة على وجه أشعل النار للأداة له تأثيرات ملحوظة على عملية القطع.

عند استخدام أدوات القطع مع الحفر التي تختلف في النوع ولكن يتم استخدامها في العمق ، يحدث تباين بارز في نتائجها التمثيلية.

توضح المقارنة بين الحالات 3 و 4 أن حجم الحفرة له تأثير لافت للنظر على عملية القطع ، خاصة على توزيعات ضغوط اتصال رقاقة الأدوات وتشكيل الرقاقة. أكبر حجم الحفرة ،أكبر نصف قطر الشباك الناتج.