محاكاة العناصر المحدودة لقوى القطع عالية السرعة

  نبذة مختصرة

  يستخدم نموذج العناصر المحدودة لعملية قطع المعادن المتعامدة ثنائية الأبعاد لدراسة تأثير سرعة القطع على قوة القطع وعملية تشكيل الرقاقة. يستخدم النموذج قانون إجهاد التدفق العام. يتم إهمال الاحتكاك حيث لا يتم الاعتماد على السرعة إلا بشكل سيئ. ويظهر أن الانخفاض الملحوظ تجريبياً لقوة القطع مع سرعة القطع والهضبة عند سرعات التقطيع العالية يتم إعادة إنتاجها بواسطة المحاكاة. يعود سبب الانخفاض بشكل رئيسي إلى تغير في زاوية القص بسبب التليين الحراري. في سرعات القطع الكبيرة ، يتم إنتاج رقائق مجزأة. كما يظهر من خلال حساب تحليلي أن الرقاقات المجزأة بسرعات القطع الكبيرة تكون أكثر فاعلية من الرقائق المستمرة.

  المقدمة

  تتسم عمليات المعالجة عالية السرعة باهتمام صناعي متزايد [1] ، ليس فقط لأنها تسمح بمعدلات أكبر للمواد المادية ، ولكن أيضًا لأنها قد تؤثر بشكل إيجابي على خواص قطعة العمل النهائية [2]. وهناك ميزة جاذبة خاصة لعمليات القطع عالية السرعة وهي أن قوة القطع المحددة لمعظم المواد تنخفض بشدة مع زيادة سرعة القطع ثم تصل إلى مرحلة الهضبة [2-4]. غير أن سبب هذا التخفيض في قوى القطع غير واضح. من الأسباب المحتملة للتليين الحراري ، أو انخفاض الاحتكاك ، أو حقيقة أن العديد من المواد تميل إلى إنتاج شرائح مجزأة بسرعات قص كبيرة ، على افتراض أن التقسيم موات بشكل قوي.

  نظرًا لتعقيد عملية تكوين الرقاقة ، فقد تم استخدام نماذج العناصر المحدودة بشكل متكرر لدراسة عملية تكوين الرقائق بسرعات قص عالية ، انظر على سبيل المثال [5–8] ، وللاستعراض لمحاكاة الآلات ، انظر [9، 10]. تسمح عمليات محاكاة العناصر المحدودة بدراسة عملية القطع بتفصيل أكبر من الممكن في التجارب. ومع ذلك ، فإنها تعاني من مشكلة تحديد البيانات الصحيحة للمادة: في عملية تصنيع عالية السرعة ، يمكن الوصول إلى معدلات سلالة من 107 s وسلالات من 1000 ٪ ، والتي لا تتوفر بيانات تدفق الإجهاد لأية مادة. وهناك كمية مدخلات أخرى مطلوبة لمحاكاة العناصر المحدودة غير المعروفة بدقة كافية وهي معامل الاحتكاك.

  من أجل التحايل على مشكلة معلمات الإدخال غير المعروفة ، يتم استخدام قانون مواد عمومي بسيط في هذه الورقة التي تلتقط التأثيرات الرئيسية مثل تصليب السلالة ، والتصلب المعتمد على المعدل ، والتليين الحراري ، ولكن لا يتم ضبطها بدقة. لوصف أي مادة معينة. ميزة هذا النهج هو أنه يسمح لدراسة بعض الآثار الرئيسية في الاعتماد على سرعة تكوين رقاقة. ﻻ ﻳﻤﻜﻦ اﻋﺘﺒﺎر ﻧﺘﺎﺋﺞ هﺬﻩ اﻟﺪراﺳﺔ ﻋﻠﻰ أﻧﻬﺎ ﺗﻮﺻﻒ ﻋﻤﻠﻴﺔ اﻟﺘﺼﻨﻴﻊ ﻷي ﻣﺎدة ﻣﻌﻴﻨﺔ ، ﺑﻞ ﺗﺼﻒ ﻋﻤﻠﻴﺔ ﻣﺜﺎﻟﻴﺔ. في عمليات المحاكاة الآلية ، تُعتبر عادةً عمليات التخصيص بمثابة عوائق يجب التغلب عليها للسماح بإجراء مقارنة مع التجارب. في هذه الورقة ، مع ذلك ، يتم استخدام إطار فكري مختلف حيث تعتبر عمليات التخصيص بمثابة فرصة لتبسيط العملية بشكل كافٍ لجعل الوصول إليها أكثر سهولة للتحليل. بهذه الطريقة ، يمكن فهم الظواهر مثل تخفيض قوة القطع بسرعة متزايدة بسهولة أكبر. على سبيل المثال ، إذا تم استخدام معامل احتكاك يعتمد على السرعة ، فسيكون من الصعب للغاية فصل تأثيره عن تأثير اللين الحراري.

يتمثل العيب الرئيسي لهذه الطريقة في عدم وجود توافق مباشر مع التجارب ، حيث لا توجد مواد في العالم الحقيقي تتوافق مع المعلمات المستخدمة هنا. وﻣﻊ ذﻟك ، ﺳوف ﯾظﮭر ﻓﻲ ھذه اﻟورﻗﺔ أﻧﮫ ﯾﻣﮐن إﻋﺎدة إﻧﺗﺎج ﺑﻌض اﻻ ﺗﺟﺎھﺎت اﻟرﺋﯾﺳﯾﺔ اﻟﺗﻲ ﺗم اﺳﺗﺧداﻣﮭﺎ ﻓﻲ ﺗﺟﺎرب اﻟﺗﺷﻐﯾل اﻟﺧﺎﺻﺔ ﺑﻣواد ﻣﺧﺗﻟﻔﺔ ﺑﮭذه اﻟطرﯾﻘﺔ ، وﯾﺳﻣﺢ ﺑﻔﮭم أﺳﺑﺎب ﺳﻟوك اﻟﻘوة اﻟﻘﺎﺑﻟﺔ اﻟﻣﻼﺣظﺔ. ومن ثم ، تكون الطريقة مثمرة لفهم عام لعملية المعالجة ، ولكنها غير مناسبة للتنبؤ بنتائج تجربة معالجة معينة. ولهذا السبب ، تعد القوانين البنائية الأكثر أهمية ضرورية (انظر على سبيل المثال [11]) ، ولكن في هذه الحالة ، من الصعب جدًا التمييز بين تأثيرات المعلمات (على سبيل المثال ، الاحتكاك والتليين الحراري).

  من أجل استنتاج هذه الاتجاهات من المحاكاة ، فقد تفاوتت سرعة القطع بأكثر من أمرين من الحجم ، وقد تم التحقق من قوى القطع والأشكال الناتجة الناتجة. تبين أن تقليل القوة مع زيادة سرعة القطع يرجع جزئيًا على الأقل إلى التليين الحراري الذي يغير زاوية القص وبالتالي من الضروري إزالة البلاستك. كما يكرر النموذج الانتقال المرئي بين الرقائق المتتابعة والمقطعة. هذه الترجمة ليست السبب الرئيسي لتخفيض قوة القطع. ومع ذلك ، سيتم تقديم أدلة على أن الرقاقات المجزأة مواتية بقوة عند سرعات التقطيع العالية ، وأن االنتقال بين الرقاقات المتواصلة والمجزأة يتوافق مع معيار تقليل الطاقة ، على الرغم من مشاكل هذه المعايير [12،13].

الموديل

  يتم استخدام نموذج العناصر المحدودة المتقاربة الحرارية والميكانيكية ثنائية البعد بالكامل ، ويتم تنفيذها باستخدام برنامج العناصر المحدودة المتوفر تجارياً [14]. تم استخدام العناصر الرباعية من الدرجة الأولى ذات الدمج المختزل انتقائيًا لتجنب تأثيرات القفل الحجمي في جميع أنحاء النموذج. كما هو موضح في النموذج بالتفصيل في مكان آخر [15] ، يتم إعطاء بعض المعلومات الأساسية فقط في ما يلي.

  تم تصميم عملية الفصل المادي أمام الأداة من خلال اعتبار عملية تشكيل الرقاقة تشوهًا نقيًا [16] حيث تتدفق المواد بشكل متجانس حول طرف الأداة. بسبب تباين النموذج ، يحدث تداخل طفيف للعناصر المجاورة لطرف الأداة مع الأداة أثناء تقدم الأداة. تتم إزالة هذه المواد ، المقابلة لشريط صغير من سمك حوالي 1 ميكرومتر (1 / 35th من عمق القطع) ، في خطوات إعادة التصنيع. وقد تم ضمان ذلك من خلال المقارنة مع عمليات المحاكاة التي تم إجراؤها باستخدام تقنية فصل العقد التي لم يكن لآلية الفصل تأثير قوي على عملية تكوين الرقاقة [15] .1

  يتم استخدام عملية إعادة تصنيع ثابتة ، والتي تقوم بحساب شبكة جديدة بعد تقدم الأداة بمقدار 2.5 ميكرومتر ، للتأكد من أن التشوهات الكبيرة لا تسبب تشوهات العناصر غير المقبولة ، وأن منطقة ذات كثافة شبكية عالية تقع دائمًا في منطقة القص الأساسي ، و أن التغييرات القوية في طبولوجيا الرقاقة الناتجة عن التجزئة لا تؤدي إلى شبكة مشوّهة. يظهر مثالان لشبكة العناصر في الشكل 1. بالنسبة للرقاقة المتواصلة ، تتركز المنطقة ذات الكثافة العالية للشبكة في منطقة القص الرئيسية ، ويمكن أن يتم شبك نهاية الشريحة بشكل خشن بشكل أكبر .1. أمثلة لعنصر محدود الشبكات المستخدمة في عمليات المحاكاة من أجل شريحة متواصلة وشريحة مجزأة. تحتوي الشريحة المتواصلة على 5000 عنصر تقريبًا ، وفي الشريحة المقسمة ، يرتفع عدد العناصر إلى 13000 ، نظرًا لأنه من الضروري ربط كل جزء بشكل مستقل. يتم تحديد العقد "الحرة" على ما يبدو في مواقع صقل شبكة بواسطة معادلة خطية. يحدد الخط الأفقى والعمودي داخل النموذج مكان السطح التلامسى المساعد الذى يتم إدخاله لتجنب تسرب الرقاقة إلى مادة قطعة الشغل. بالنسبة لشريحة مجزأة ، يتم دمج كل مقطع على حدة ، بحيث يمكن أن تتغير طوبولوجيا الشبكة أثناء الحساب. هذا أمر مهم لأن تقسيم الشريحة يقدم زوايا معاودة الدخول على السطح الحر للرقاقة ، لكن التقنية تؤدي إلى عدد أكبر من العناصر المحدودة اللازمة لشبكة الرقاقة. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول إستراتيجية إعادة التصنيف في [15،18].

تم اختيار الزيادات الزمنية في المحاكاة بشكل ديناميكي من قبل البرنامج وكانت عادة من 10-10 إلى 10−8 ثانية. وبالتالي هناك حاجة إلى حوالي 1000 تكرار لحساب أي

من الرقائق المبينة في الشكل 2 ؛ كان وقت الحوسبة اللازم لمثل هذا الحساب 3-10 أيام على محطة العمل القياسية.

  في نموذج معقد مثل هذا ، من المهم التحقق من أن النتائج مستقلة عن كثافة الشبكة وتردد إعادة الصهر. تظهر الحسابات التي تم إجراؤها بكثافات شبكة مختلفة وتكرار إعادة الصهر (الموصوفة جزئيًا في [18]) أن الخطأ في قوة القطع هو من 3 إلى 5٪.

  تم افتراض أن الأداة تكون جامدة تمامًا ، ولكن يتم أخذ التوصيل الحراري في الأداة في الاعتبار في المحاكاة ،على الرغم من أنه تم العثور على أن هذا ليس له سوى تأثير صغير على عملية تكوين رقاقة.

التين. 2. السلالة البلاستيكية المكافئة من أجل اختلاف سرعة القطع.

جميع الأرقام مرسومة إلى نفس الحجم ؛ لاحظ الشريحة القوية

ضغط بسرعات قص منخفضة. تم تعيين الحد الأقصى للمقياس إلى 3.

  تم إهمال الاحتكاك في جميع المحاكاة. هذه هي محاكاة لا يمكن السماح بها إذا كان القصد من المقارنة المباشرة للتجارب الآلية أن تقوم قوى الاحتكاك بتأثير قوي على عملية تكوين الرقاقة ، على وجه الخصوص عند سرعات قطع أصغر ، وقد تكون مسؤولة جزئيًا عن التجريب الملاحظ ضغط رقاقة. يتطلب إدخال الاحتكاك في المحاكاة حيث تتغيّر سرعة القطع على درجتين من القياسات ، قياسًا مفصلاً لمعامل الاحتكاك تحت ظروف التقطيع عبر نطاق السرعة هذا وعند درجات حرارة تتراوح بين درجة حرارة الغرفة والميجاوات التي تزيد عن 800 درجة مئوية. هذا غير ممكن في الوقت الحالي ، على الرغم من وجود بعض الأدلة على أن الاحتكاك يصبح أصغر عند سرعات القطع الأكبر [19]. إن إدخال معامل احتكاك يعتمد على السرعة ودرجة الحرارة سيؤدي إلى إدخال مادة أخرى في المحاكاة غير معروفة من التجربة. إذا ، بدلاً من ذلك ، يتم تحسين العملية بإهمال الاحتكاك ، يمكن بسهولة فصل تأثير الاحتكاك عن التأثيرات الأخرى. إذا لوحظ ، على سبيل المثال ، انخفاض في قوة القطع ، التي توجد في العديد من المواد ، في المحاكاة حتى عند إهمال الاحتكاك ، أي تغيير في معامل الاحتكاك.

  2.1. المعلمات المادية

  وﮐﻣﺎ ھو ﻣوﺿﺢ ﻓﻲ اﻟﻘﺳم 1 ، ﻻ ﯾﻣﮐن اﻟوﺻول إﻟﯽ ﺧﺻﺎﺋص اﻟﻣﺎدة اﻟﺧﺎﺻﺔ ﺑﺎﻟظروف اﻟﺳﺎﺋدة اﻟﺗﻲ ﺗﺣدث ﻓﻲ ﺗﺷﮐﯾل رﻗﺎﺋق ﻓﻲ ﺗﺟﺎرب أﺧرى وﺑﺎﻟﺗﺎﻟﻲ ﻓﮭﻲ ﻏﯾر ﻣﻌروﻓﺔ ﺳوى. على الرغم من أن بعض المحاولات الناجحة قد تمت في الماضي لنماذج تجارب القطع عالية السرعة (على سبيل المثال [5،6،20،21]) ، فإنه ليس من الواضح ما إذا كانت قوانين الإجهاد المتدفق عادةً المستخدمة في هذه الأعمال قابلة للتطبيق على مجموعة واسعة من درجات الحرارة ومعدلات الاجهاد.

  ولما كان القصد من هذا البحث هو فهم التأثيرات الرئيسية لسرعة القطع على تكوين الرقاقة ، فقد تم استخدام قانون إجهاد تدفق عام بسيط نوعًا ما يمكن اعتباره بمثابة وصف لمادة نموذجية. من خلال تغيير pa- أبعاد في قانون الإجهاد تدفق ، ويمكن دراسة تأثير هذه المعلمات على عملية تشكيل رقاقة كذلك [18،22].

يعتمد قانون الإجهاد المتدفق على قياسات الإجهاد المتدفق لسبيكة التيتانيوم Ti6Al4V المقدمة في [23] والتي تم الحصول عليها باستخدام جهاز شريط هوبكينسون منقسم بمعدلات إجهاد تصل إلى 104 ثانية − 1 عند درجات حرارة مختلفة. عند الوصول إلى معدلات إجهاد تتجاوز 107 s in 1 في عمليات المحاكاة ، من الضروري إجراء استقراء فوق عدة أوامر من الحجم. للقيام بذلك ، يفترض الاعتماد على معدل لوغاريتمي. يتم إعطاء الإجهاد المتساوي للتدفق σ المستخدم في عمليات المحاكاة بواسطة K ∗ و n ∗ و TMT و µ تم تركيبها من التجارب كما هو موضح في [23]. يتم سرد قيم هذه المعلمات والبيانات الحرارية في الجدول 1.

  وتجدر الإشارة إلى أنه يجب اعتبار قانون الإجهاد المتدفق هذا فقط تقريبًا للمادة الحقيقية بسبب الاستقراءات الضخمة اللازمة. بالإضافة إلى ذلك ، من المعروف أن سبائك التيتانيوم تشكل شرائح مجزأة حتى عند سرعات القطع المنخفضة [24] ، مما يشير إلى أنها تمتلك بعض كمية من تخفيف النعومة لا تؤخذ بعين الاعتبار في EQ. (1). ﻟﺬﻟﻚ ﻓﺈن ﻗﺎﻧﻮن اﻟﻤﻮاد ، آﻤﺎ هﻮ ﻣﺬآﻮر هﻨﺎ ، ﻻ ﻳﺼﻒ ﺳﻠﻮك Ti6Al4V ﺑﺼﻮرة ﻣﺘﻜﺎﻣﻠﺔ وﻳﺠﺐ أن ﻳﻌﺘﺒﺮ ﺑﻤﺜﺎﺑﺔ ﻣﺎدة ﻧﻤﻮذﺟﻴﺔ ﻟﻠﺘﺤﻘﻴﻘﺎت اﻟﻤﺜﺎﻟﻴﺔ آﻤﺎ هﻮ ﻣﻮﺿﺢ ﻓﻲ اﻟﻤﻘﺪﻣﺔ. وتختلف قوى القطع المحددة المقاسة تجريبيا بين 2200 و 2000 نيوتن / مم 2 لسرعات القص 5 و 20 م / ث [19] عند عمق قطع يبلغ 40 ميكرومتر. وتنتج المحاكاة 2600 نيوتن / مم 2 لسرعة 10 م / ث و 2300 نيوتن / مم 2 لـ 20 م / ث بعمق قطع يبلغ 35 ميكرومتر ، وبالتالي فإنها تزيد من قوة القطع بنحو 20٪. (ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن قوة القطع المتوسطة ليست من المتغيرات المناسبة للتحقق من محاكاة القطع [22]). لم يتم تنفيذ أي معيار للخلل بالنسبة للمادة بحيث تتكون الرقائق المقسمة فقط من خلال القص في التعريب من خلال التخفيف الحراري. كثيرا ما استخدمت معايير الضرر في الماضي للتحقيق في تكوين شرائح مجزأة [5–8] ؛ ومع ذلك ، فإن تحديد معايير الضرر بشكل موثوق في معدلات السلالة القصوى يمتلك نفس الصعوبات مثل تحديد ضغط التدفق. مرة أخرى ، للحفاظ على محاكاة بسيطة قدر الإمكان ، ونحن لا تشمل معيار الضرر هنا. وقد تبين في [22] أن استخدام σ (E، E˙، T) = K (T) En (T) قانون المواد دون معيار الضرر يمكن أن يصف بشكل كافٍ التأثيرات الملحوظة في الآلات عالية السرعة عند اختلافها حيث E و E ˙ هي سلالة ومعدل سلالة ، T درجة الحرارة ، K و N المعلمات المواد التي تعتمد على درجة الحرارة ، و C و E˙0 هي الثوابت. يمكن العثور على المزيد من التفاصيل في [23].

  الاعتماد على درجة الحرارة من المعلمات لديه الشكل:

  K (T) = K ∗ Ψ (T)، n (T) = n ∗ Ψ (T)،

  مقارنة المواد ، على الرغم من وجود اتفاق كمي بين المحاكاة وتجربة معينة ، قد يكون معيار الضرر ضروريًا [11].

  تم الافتراض بأن الأداة تكون جامدة ميكانيكياً ، ولكن تم أخذ التوصيل الحراري في الأداة في الاعتبار. واستخدمت المعلمات المادية المادية لمعدن الصلب كربيد التنغستن (K30 وفقا للمواصفة ISO 513). تفاوتت الموصلية الحرارية للأداة بين 95 واط / م ك عند 0 درجة مئوية و 57 وات / م عند درجة حرارة 950 درجة مئوية ، وكانت الحرارة النوعية 216 جول / كجم ك عند 0 درجة مئوية و 312 جول / كلفن عند 950 ◦ C ، بكثافة المادة 14600 كجم / م 3. تم تعيين معامل نقل الحرارة بين الأداة والمواد الموصلة إلى قيمة كبيرة بحيث تكون درجة الحرارة هي نفسها على كلا جانبي سطح التلامس.

1.Results

  1.1 رقائق محسوبة

  تستخدم جميع عمليات المحاكاة المعروضة عمق قطع يبلغ 35 ميكرومتر وزاوية أشعل النار من 0 درجة مئوية. وقد تفاوتت سرعة القطع بين 0.2 و 100 م / ث. ومع ذلك ، فإن عمليات المحاكاة في اثنين من أكبر سرعات القطع توقفت قبل الأوان بسبب مشاكل التقارب الناجمة عن التخفيف الحراري الشديد.

  يوضح الشكل 2 السلالة البلاستيكية المكافئة في الرقائق المحسوبة لتسع قيم مختلفة لسرعة القطع. عند سرعات القص الصغيرة ، تتشكل الرقاقات المتواصلة بزاوية قص متزايدة (أي انخفاض ضغط الرقاقة).

  يبدأ الانتقال إلى الشرائح المقسمة بسرعات تبلغ حوالي 5 م / ث ويزداد التقسيم مع زيادة سرعة القطع.

  ويوضح الشكل 3 قطع قوة القطع ، حيث تكون قطع الأرض قابلة للمسافة ، بحيث تكون نتائج سرعات القطع المختلفة قابلة للمقارنة مباشرة. بالنسبة للرقائق المستمرة ، تميل قوى القطع إلى قيمة ثابتة (بصرف النظر عن التقلبات الصغيرة الناتجة عن عملية إعادة التصنيع) ، في حين تبدأ التذبذبات المرتبطة بتقطيع الشي atات بسرعة قصوى تبلغ 5 m / s. كما هو متوقع ، تكون التذبذبات أكثر وضوحًا مع زيادة درجة التجزئة.

  يتم عرض متوسطات قوى القطع في الشكل 4. بالنسبة للرقائق المستمرة ، يتم استخدام القيم الثابتة التي يتم الوصول إليها في نهاية المحاكاة ، في حين أنه بالنسبة للرقائق المقسمة فقد تم إجبار القوة على التذبذبات الأخيرة أو الأخيرة للقطع force.2 تنخفض قوة القطع المتوسطة بشدة في المنطقة منخفضة السرعة حيث تكون الرقائق متواصلة ولكن يتغير مقدار القص بقوة. تصل إلى هضبة تبلغ قيمتها 1-2 م / ث حيث لا تزال الرقائق مستمرة. إن الزيادة الطفيفة عند سرعة قص 5 م / ث ، حيث يتم تشكيل أول شريحة مجزأة ، تقترب من هوامش الخطأ ، وبالتالي من غير المحتمل أن تكون كبيرة ، ومع ذلك ، فإن قوة التقطيع تنخفض بعد ذلك أقل من قيمة الهضبة للطور المستمر. رقائق.

  1.2. انخفاض في قوة القطع

وفقًا لـ [2،25] ، يمكن تركيب قواطع القطع المقاسة تجريبيًا بشكل متكرر

التين. 3. قوة القطع المقطوعة عن بعد لسرعة القطع المختلفة. لقراءة أفضل ، تم تقسيم المؤامرة.

في الشكل 4. على الرغم من أن الاتجاه العام في قوة القطع يتم تمثيله بشكل جيد من خلال هذه الوظيفة الملائمة ، فهناك انخفاض إضافي في قوة القطع عند تعيين التقسيم. قد يعتبر هذا كدليل على أن السؤال ما إذا كانت شرائح شرائح أو لا يمكن تحديدها من خلال معيار تقليل الطاقة. تم تأجيل مناقشة إضافية لهذه النقطة إلى القسم 3.3.

Fc (vc) = Fc، ∞ + Fdyn exp

  (4)

التين. 4. قوة القطع المتكاملة لتغير سرعة القطع.

تم استخدام خطأ ثابت - قضبان ارتفاع ± 3 N للإشارة

دقة المحاكاة. نوبة من البيانات وفقا لمعادل. (4) كما هو مبين.

حيث Fc و ∞ و Fdyn و vHSC هي معلمات مناسبة و vc هي سرعة القطع. تم استخدام هذه الوظيفة لتناسب القطع المقاس

التين. 5. احتواء قوة القطع المحاكاة كدالة لزاوية القص المرصودة مقابل التنبؤ بعلاقة التاجر ، المعادل. (5) ، باستخدام prefactor صالح 81.7 N. مزيد من المناقشة في النص.

  تظهر هذه النتيجة أنه يمكن إنتاج انخفاض في قوة القطع بواسطة المحاكاة. ﻻ ﯾﻧﺟم ﻋن ﻋﻣﻟﯾﺔ اﻟﺷرﯾﺣﺔ ﻷن اﻻﻧﺧﻔﺎض اﻟرﺋﯾﺳﻲ ﻓﻲ ﻣﻧطﻘﺔ اﻟﺳرﻋﺔ ﺣﯾث ﻻ ﺗزال اﻟﺷرﯾﺣﺔ ﻣﺳﺗﻣرة وﻻ ﺗﻌود أﯾﺿًﺎ إﻟﯽ ﺗﻐﯾر ﻓﻲ اﻻﺣﺗﮐﺎك اﻟذي ﺗم إھﻣﺎﻟﮫ ھﻧﺎ.

إن التغير في زاوية القص للرقائق المبينة في الشكل 2 (انظر أيضًا الجدول 2) هو سبب واضح للانخفاض في قوة القطع حيث يقل التشوه اللدن عند اقتراب زاوية القص 45 درجة. ويمكن ملاحظة ذلك من خلال العلاقة بين السلالة البلاستيكية E وزاوية القص φ في رقاقة مستمرة ومتشابهة [26]

  ) 5) إذا كانت المادة مصنوعة بشكل مثالي من البلاستيك مع إجهاد ثابت للعرض ، فإن قوة القطع كدالة لزاوية القص ستتبع نفس العلاقة مثل سلالة البلاستيك. في الشكل 5 ، يتم رسم متوسط ​​قوة القطع كدالة لزاوية القص للرقائق المستمرة المشكلة. يستخدم الخط المنقط نوبة على افتراض أن قوة القطع المتوسطة تتناسب مع السلالة البلاستيكية المكافئة في نظرية مستوى القص البسيطة. الانخفاض المتوقع باستخدام هذا الافتراض المبسط هو أصغر من ذلك الملاحظ ، لكنه من الترتيب الصحيح للحجم.

  لدراسة التغيير في هندسة الشي andات وقوة القطع بمزيد من التفصيل ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار الاعتماد على ضغط التدفق على السلالة ، ومعدل الإجهاد ، ودرجة الحرارة. من أجل القيام بذلك ، تم قياس تاريخ الإجهاد والانفعال الذي تعاني منه نقطة مادية (منحنيات الإجهاد والانفعال الفعال) تقريبًا.

التين. 6. منحنيات الإجهاد الإجهاد الفعال في رقائق مستمرة لمختلف سرعات القطع. انظر النص لمزيد من التفاصيل نقاش.

  نظرًا لحدوث تكرار متكرر للنموذج ، لا يمكن القيام بذلك ببساطة عن طريق تقييم الكميات في نقاط تكامل العناصر ، حيث إنها تغير موضعها. وبدلاً من ذلك ، تم تبني الإجراء التالي: يتم تحديد موضع أولي لنقطة مادة ويتم حساب العنصر الذي يحتوي على هذه النقطة. يتم تحديد قيم متغيرات الفائدة عند نقاط التكامل لهذا العنصر ويتم حساب متوسطها. يتم أيضًا حساب نقطة مركز العنصر ، ويتم استخدام قيمته في التهيئة المشردة كموضع نقطة جديدة. بعد ذلك ، يتم تكرار الروتين. وبسبب هذا الإجراء ، تكون القيم المقاسة هي قيم متوسطة فقط ، وقد تؤدي إعادة تحديد موضع نقطة المادة في مركز العنصر المقابل إلى بعض التذبذبات في القيم المحسوبة. ومع ذلك ، نظرًا لأن القيم التقريبية مطلوبة فقط في ما يلي ، يكون هذا الإجراء كافياً.

يظهر في الشكل 6 منحنيات الإجهاد والانفعال الفعالة المقيسة بهذه الطريقة لسرعة قطع مختلفة. وقد تم اختيار نقطة المادية في مواقف انطلاق مماثلة في جميع المحاكاة الأربعة المنتجة رقائق المستمر في موقف 15 ميكرومتر فوق مستوى القطع. متوسط ​​مستوى الإجهاد المتدفق هو نفسه تقريباً عند جميع سرعات القطع ، على الرغم من أن معدل الإجهاد يزيد بعامل 10 على الأقل (انظر أدناه) مع زيادة مقابلة في إجهاد التدفق المتساوي (انظر المعادلة (1)). هذا يدل على أن التصلب المعتمد على المعدل يتم تعويضه عن طريق ارتفاع درجة الحرارة والتليين الحراري اللاحق ، بالاتفاق مع [6]. يظهر هذا في الشكل 7 ، حيث يتم رسم درجة الحرارة مقابل السلالة البلاستيكية المكافئة عند نقطة المادة قيد النظر. ترتفع درجة الحرارة من القيم القصوى التي تبلغ 300 درجة مئوية تقريبًا عند أصغر سرعة قطع إلى 700 درجة مئوية بسرعة قصوى تبلغ 2 م / ثانية.

  يوضح الشكل 6 أيضًا أن شكل منحنيات الإجهاد والانفعال يختلف بشدة عند سرعات القطع المختلفة. عند سرعات صغيرة ، ينطق الصلابة على الرغم من وجود تخفيف حراري. عند السرعات الأكبر ، يرتفع مستوى الضغط المبدئي في البداية إلى مستوى أعلى ، لكنه ينخفض ​​بشدة نتيجة للتليين الحراري ، بحيث يتم تخفيف المادة عند سلالات أكبر من 0.2 تقريبًا. هذا الانخفاض في التصلب هو سبب زيادة زاوية القص حيث يمكن إثباته من خلال تمديد نظرية خط الانزلاق [27،28] أن زاوية القص تزداد مع انخفاض تصلب.

التين. 7. منحنيات فعالة لسلالة - درجات الحرارة في الرقاقات المستمرة لسرعة القطع المختلفة. انظر النص لمناقشة مفصلة.

  وبالتالي ، يمكن ملاحظة الانخفاض الملحوظ في قوة القطع كما يلي: يؤدي زيادة سرعة القطع إلى زيادة في درجة الحرارة. على الرغم من أن معدل الإجهاد يزيد ، مما يؤدي إلى إجهاد تدفق متساوي أكبر ، فإن زيادة درجة الحرارة تؤدي إلى تليين حراري ، بحيث يتم تقليل مستوى الضغط المتوسط. بالإضافة إلى ذلك ، يغير التليين الحراري شكل منحنى الإجهاد والانفعال الفعال ، وبالتالي يؤدي إلى زيادة في زاوية القص وانخفاض في كمية تشوه البلاستيك اللازمة لتشوه الشريحة.

  يُظهر منحنى الإجهاد والانفعال عند 2 م / ث زيادة واضحة في الطول والانخفاض اللاحق لضغوط التدفق. لذلك ، ليس من المستغرب أن تتشكل رقاقة مقسمة عند زيادة سرعة القطع. يحدث الانتقال بين الرقاقات المتواصلة والمجزأة من خلال تطوير هذا الحد الأقصى ، كما هو متوقع نظريًا لعملية توطين القص [24].

  تظهر نظرة فاحصة على الشكل 2 ظاهرة أخرى مثيرة للاهتمام: يصبح عرض منطقة القص في الشريحة المستمرة أصغر مع زيادة سرعة القطع. يبين الشكل 8 مؤشراً من معدل الإجهاد مقابل سلالة لنقطة المادة نفسها المستخدمة في الشكل 6.3 الزيادة في معدل الانفعال بين سرعات القطع البالغة 0.2 و 2 m / s تقارب عامل 50 ، وبالتالي أكبر بكثير من يمكن أن يُفهم ذلك أيضًا من خلال منحنيات الإجهاد والانفعال الفعّالة: فمن المعروف نظريًا [27] أن عرض منطقة القص يكون أكبر في المواد التي تعمل بقوة أكبر. كما تزايد

التين. 8. منحنيات معدل الإجهاد والانفعال الفعال في الرقاقات المستمرة لسرعة القطع المختلفة. انظر النص لمناقشة مفصلة.

منطقة القص ليست كبيرة بما يكفي لتعويض هذا. والنتيجة مثيرة للاهتمام لأنه من المفترض بشكل متكرر (انظر على سبيل المثال ، [28]) أن معدل الإجهاد يتناسب تقريبًا مع سرعة القطع. إن التأثير الذي لم يلاحظ في [28] قد يرجع إلى حقيقة أن الفولاذ الذي تم فحصه هناك كان له قيمة صغيرة لضغوط التدفق بحيث أن الزيادة في درجة الحرارة كانت متوسطة أو أن الاعتماد على معدل الإجهاد كان أكثر وضوحًا.

  في الختام ، تظهر المحاكاة أن النقص القوي لقوة القطع مع زيادة سرعة القطع هو نتيجة للتليين الحراري الذي يغير منحنى الإجهاد والانفعال الفعال ويزيد من زاوية القص. لاحظ أنه طالما أن الرقائق متواصلة ، فإن إضافة معيار الضرر لن يغير هذه الصورة ؛ إذا حدث ضررٌ دَقّيٌّ ، فببساطة ستتم إضافة تأثير التخفيف إلى تأثير التليين الحراري. سيتم مناقشة الهضبة الملاحظة لتشكيل الشريحة المجزأة في القسم التالي.

  1.3 قوة القطع عند سرعات القطع الكبيرة

  أظهر تباين سرعة القطع انتقالًا مباشرًا من رقائق مستمرة إلى شرائح مجزأة. في هذا القسم ، يتم تقدير قوى القطع للرقائق المتواصلة بسرعات قص عالية ومقارنة مع تلك الموضحة للرقائق المقسمة.

  من أجل تقدير قوة القطع للرقائق المستمرة ، يتم حساب الحد الأدنى من خلال افتراض أن درجة حرارة متجانسة تؤدي إلى انخفاض في التصلب (انظر الشكل 6) ، تتكون الرقاقة بزاوية قص 45 درجة ، بحيث تكون السلالة 2 / 3،5 من منطقة القص تصبح أصغر حتى تصبح معدلات السلالة أكبر. بسبب الاعتماد على معدل ضعيف نوعًا ما لضغوط التدفق ، فإن معدل التصلب الإضافي الناتج عن الضيق - وهذه العملية ثابتة. في هذه الحالة ، تساوي قوة القطع المحددة ks تكاملاً لمنحنى الإجهاد والانفعال الشديدي

حيث σad هو ضغط ثابت الحرارة كدالة في السلالة E ومعدل السلالة E˙.6 لتبسيط الحساب ، يفترض معدل سلالة ثابت. وكما يوضح الشكل 8 ، فإن هذا صحيح في تقدير جيد إلى حد معقول حيث أن معدل السلالة من نقطة ماديّة تدخل منطقة القص يبقى ثابتًا تقريبًا لنظام الضغط الكبير. بسبب الاعتماد على المعدل اللوغاريتمي ، فإن خطأ في معدل السلالة لا يؤدي إلى خطأ كبير في قوة القطع المحددة.

  علاوة على ذلك ، يفترض الاعتماد الخطي بين معدل السلالة وسرعة القطع. وقد تبين في الشكل 8 أنه في نطاق السرعة بين 0.2 و 2 م / ث ، يزداد معدل السلالة أسرع من خطي. ومع ذلك ، ينبغي توقع أن يكون هناك حد لهذه الزيادة الإضافية لأنه متصل بانخفاض في عرض منطقة القص. ﻣﺎ ﻟﻢ ﺗﺼﺒﺢ ﻣﻨﻄﻘﺔ اﻟﻘﺺ ﺻﻐﻴﺮة ﻟﻠﻐﺎﻳﺔ ﺑﺴﺮﻋﺔ ﻗﻄﻊ ﻋﺎﻟﻴﺔ ﺟﺪًا ، ﻓﺈﻧﻪ ﻳﻨﺒﻐﻲ ﻋﻠﻴﻬﺎ ﺑﺎﻟﺘﺎﻟﻲ ﺗﻮﻗﻊ أن ﻳﺼﺒﺢ اﻻﻋﺘﻤﺎد ﺧﻄﻴﺎً ﻓﻲ اﻟﻨﻈﺎم ﻋﺎﻟﻲ اﻟﺴﺮﻋﺔ .7 وﻟﻜﻦ ﺣﺘﻰ ﻟﻮ ﻟﻢ ﻳﻜﻦ هﺬا هﻮ اﻟﺤﺎل ﻓﺎن ﻣﻌﺪل اﻟﺴﻼﻟﺔ ﻳﺰﻳﺪ ﺑﺸﻜﻞ أﺳﺮع ، أنه سيتم التقليل من معدل السلالة وبالتالي قوة القطع هنا ، بحيث تظل النتائج المستخلصة أدناه صحيحة.

سيتم تقدير العلاقة بين معدل السلالة وسرعة القطع عن طريق أخذ قيمة معدل الإجهاد عند سرعة القطع 2 م / ث والتي تقارب 1.6 × 105 s − 1 واستقراء خطيًا إلى سرعات قطع أعلى ، بافتراض عدم وجود مزيد من التغيير في عرض منطقة القص ستأخذ مكان 8. باستخدام المعادل. (6) ، يمكن تقدير قوة القطع المحددة كدالة لسرعة القطع.

  يظهر المنحنى الناتج في الشكل 9. تزداد قوة القطع المحسوبة تقريبًا لوغاريتميا مع سرعة القطع ، كما هو متوقع من إعتمادية معدل اللوغاريتم. عند سرعات القطع الصغيرة ، تكون قوة القطع المقاسة أكبر من القيمة المحسوبة. هذا الأمر ليس مفاجئًا لأن العملية ليست ثابتة على سرعات قص صغيرة كما أن زاوية القص أصغر بكثير من القيمة المثالية. حتى عند سرعة القطع 2 م / ث ، فإن قوة القطع المقاسة لا تزال أكبر من القيمة المحسوبة لشريحة أديباتية. عند سرعات القطع الأكبر ، يكمن المنحنى فوق القيم المقاسة للرقائق المقسمة ، ولكن الزيادة ، كونها لوغاريتمية ، صغيرة للغاية.

  الزيادة اللوغاريتمية لقوة القطع أصغر مما هو متوقع من العامل (1 + C ln (E˙ / E˙0)) كما يمكن رؤيته من الانحناء الهابط في المخطط اللوغاريتمي. هذا أمر متوقع حيث أن زيادة معدل الإجهاد يؤدي إلى زيادة في التخفيف الحراري. وبالتالي ، إذا كان الاعتماد على معدل الإجهاد ضعيفًا بشكل كافٍ ، فلن تكون هناك زيادة تقريبية تقريبًا في

قوة القطع مع معدل سلالة.

  إن افتراض وجود رقاقة متجانسة ومتواصلة في القيمة المثالية لزاوية القص يميل إلى التقليل من قوة القطع. وينطبق الشيء نفسه على تقدير معدل الإجهاد. فقط إذا كان قياس معدل الإجهاد في المحاكاة

التين. 9. قوة القطع النظرية كدالة لسرعة القطع لشريحة متجانسة مستمرة ومتجانسة بزاوية القص 45 درجة. تظهر أيضًا نقاط البيانات من عمليات المحاكاة.

  الخطأ من خلال عامل كبير سيكون من الممكن أن الحسابات تبالغ في تقدير قوة القطع لشريحة مستمرة. وبالتالي يمكن استنتاج أن الشرائح المقسمة تكون مواتية بقوة في سرعات قطع كبيرة على الأقل في الحالة المذكورة هنا.

  يمكن أيضًا تقديم تفسير مماثل للهضبة في قوة القطع للرقائق المجزأة: يجب أن يكون تشوه المقاطع والحالات الأولية لنطاق القص ، قبل أن يتم ضبط اللزوجة ، ثابتًا حتى عند السرعات التي يكون فيها نطاق القص التشوه في حد ذاته ليس ، نظرا لحجم أكبر من هذه المنطقة. إذا لم يكن هناك اعتماد معدل على ضغوط التدفق ، فإن هذه المساهمة في قوة القطع ، والتي تبلغ حوالي 50٪ ، ستكون مستقلة عن قوة القطع. في حالة عدم الاعتماد على معدل الإجهاد ، فإن التشوه خلال عملية القص المحلي يصبح من الأسهل كلما كانت السرعة أكبر ، بحيث أن قوة القطع يجب أن تنخفض مع سرعة القطع حتى تتحقق الظروف النهائية تمامًا ولا يحدث أي تغيير آخر في قوة القطع سوف يلاحظ.

إن اعتماد معدل الإجهاد لقانون الإجهاد المتدفق يغير هذه الصورة: العمل على تشويه المادة داخل الأجزاء وفي الحالة الأولى لتشكيل نطاق القص يزداد ، ولكن بسبب الظروف المناخية ، فإن الزيادة ليست واضحة كما هو متوقع ، مماثل لحالة التشنج المتواصل التي نوقشت أعلاه. بالإضافة إلى ذلك ، تزداد درجة التجزئة مع زيادة سرعة القطع بسبب تطوير أقصى حد ممكن في منحنيات الإجهاد والانفعال الفعال. يصبح التشوه داخل الأجزاء أصغر كلما كانت درجة التجزئ أكبر ، بحيث يصبح التشوه الكلي للرقائق أصغر. لم يكن هذا التأثير الإضافي متاحًا لحالة التشكيل المستمر للرقائق التي نوقشت أعلاه ، بحيث يمكن توقع أن تكون أي زيادة في قوة القطع أصغر حتى بالنسبة للرقائق المقسمة. وبالتالي ، يمكن أن يُفهم لماذا يتم ملاحظة الهضبة تجريبياً.

  2.Discussion

في هذه الورقة ، تم استخدام نموذج لعنصر متناهي من المعالجة المتعامدة مع قانون إجهاد التدفق العام البسيط إلى حد ما لدراسة تسريع الاعتماد على تكوين الرقائق وقوة القطع. تمت ملاحظة التأثيرات التجريبية للعديد من المواد ، وبالتحديد إنقاص قوة القطع التي تتبعها منطقة الهضبة والانتقال بين الرقاقات المستمرة والمقطعة ، من خلال المحاكاة بنجاح. تبين أن تقليل قوة القطع يمكن أن يُفهم على أنه تأثير للتليين الحراري الذي يتسبب في تغيير منحنيات الإجهاد والانفعال الفعالة للمواد وبالتالي يزيد من زاوية القص ويقلل من كمية التشوه اللدن اللازمة لتشوه رقاقة. يؤدي الانتقال من الرقاقات المستمرة إلى الشرائح المقسمة إلى مزيد من الانخفاض في قوة القطع ، والتي تكون أصغر بكثير.

  باستخدام نموذج تحليلي بسيط لتشوه الرقاقات المتواصلة ، التي تعمل كواجهة سفلية ، تبين أن الرقاقات المجزأة مواتية بقوة عند سرعات قص عالية. بالنسبة للرقائق المستمرة ، ينبغي توقع زيادة قوة القطع بسرعات قص كبيرة جدًا ، ولكن هذه الزيادة صغيرة جدًا وقد لا يمكن اكتشافها تجريبيًا. الوضع مشابه للرقائق المجزأة حيث يؤدي التغيير في تجزئة الشرائح إلى أن تكون الزيادة المتوقعة أصغر.

  ومع ذلك ، عند تقييم نتائج هذه الورقة ، يجب ملاحظة عدة نقاط:

  • تم إهمال الاحتكاك بالكامل في المحاكاة للأسباب الموضحة أعلاه. وبالتالي ، تثبت النتائج الموضحة هنا أنه حتى بدون أخذ تأثيرات الاحتكاك في الاعتبار ، يجب توقع انخفاض في قوة القطع. فهي لا تثبت أن تغييرا في الاحتكاك لا يحدث ، ويمكن توقع أن يكون جزء من الانخفاض الملحوظ تجريبيا في قوة القطع سببه بالفعل انخفاض في الاحتكاك. ومع ذلك ، هناك بعض الأدلة التجريبية على أن انخفاض الاحتكاك أقل أهمية من التغيير في عمل التشوه [25].

  • إن الاعتماد على المعدل المفترض في قانون ضغط التدفق ضعيف نوعًا ما. نظريا ، تم التنبؤ بالاعتماد على معدل خطي من نظرية الخلع بمعدلات تشوه كبيرة [32]. ومع ذلك ، فإن عمليات المحاكاة التي يتم إجراؤها باستخدام إعتماد معدل خطي [22] لا تظهر النقص المتوقع في قوة القطع مع سرعة القطع ولا الانتقال بين الرقائق المتقطعة والمقطعة. هذا لا يستبعد إمكانية الاعتماد على معدل خطي ، لأن تأثيراته يمكن تعويضها ، على سبيل المثال ، عن طريق تليين حراري أقوى أو أن يكون تكوين الكراك ، الذي لم يتم تصميمه هنا ، قد يلعب دوراً. ومع ذلك ، يصعب تصور كيف يمكن أن يؤدي الاعتماد على المعدل الخطي إلى هضبة في قوى القطع ، ما لم يكن الاعتماد شديد الضعف.

  • تم إهمال القوى الديناميكية أيضًا ، نظرًا لأنها صغيرة في نطاق سرعة القطع التي نوقشت هنا. عند سرعات القطع الكبيرة للغاية ، فإنها تساهم في قوة القطع وتسبب زيادة أخرى ، ولكن نطاق السرعة هذا لا يزال أبعد من ذلك الذي نوقش هنا [4].

في الختام ، يجب ملاحظة أن البحث عن عملية مثالية (إهمال الاحتكاك ، قانون الإجهاد المتدفق المبسط) يبدو أنه طريقة مثمرة لفهم تفاصيل عملية تكوين الشريحة.