تاثیر هندسه و سرعت ابزار بر تولید حرارت در فرایند برش نانومتری تکبلور مسی با استفاده از روش شبیهسازی دینامیک مولکولی

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

سید وحید حسینی ¹ (دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه النصیرالدین طوسی.)
مهرداد وحدتی ² (استادیار، گروه ساخت و تولید دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه النصیرالدین طوسی)

تاریخ دریافت : 1394/10/08 تاریخ پذیرش : 1394/10/08 تاریخ انتشار : 1391/04/01

کلید واژه: ماشینکاری نانومتری, شبیهسازی دینامیک مولکولی, تولید حرارت, بالانس انرژی,

چکیده مقاله :

تولید حرارت در طول فرایند ماشینکاری نانومتری یکی از پیامدهایی است که سعی میشود به کمترین حد رسانده شود. این پژوهش به بررسی تاثیر شعاع انحنای نوک ابزار و سرعت برش بر تولید حرارت و بالانس انرژی در قطعهکار میپردازد. در این راستا، فرایند برش نانومتریک بر قطعهکار تک بلور مس، با روش دینامیک مولکولی و تابع پتانسیل فلزی EAM شبیهسازی شده و با ارایه مدل توزیع انرژی، تاثیر عوامل یاد شده مورد بررسی قرار میگیرد. بر اساس نتایج، با نفوذ ابزار به داخل قطعهکار، سرعت اتمهایی که در همسایگی ابزار قرار دارند، به شدت افزایش مییابد. این افزایش موضعی سرعت و تغییر شکل زیاد باعث میشود که دما در قطعهکار به صورت موضعی در اطراف ابزار و براده زیاد شود. افزایش چهار برابری سرعت برش، تنها باعث افزایش حدود %21 -27 نیروهای برشی میشود. سرعت برش، اما تاثیر قابل توجهی در تغییرات انرژی پتانسیل، جنبشی و انتقال حرارت در قطعهکار دارد. به گونه ای که در سرعتهای برش بالا با کاهش مقدار انتقال حرارت، انرژی جنبشی و پتانسیل زیادی در قطعهکار باقی میماند که باعث افزایش شدید دما و گرادیان درجه حرارت در قطعهکار میشود. افزایش چهار برابری سرعت برش، از 50m/s به 200 m/s، باعث افزایش دما در نواحی ماشینکاری از 300˚C به 700 ˚C میشود که میتواند در کیفیت سطح ماشینکاری تاثیرگذار باشد. افزون بر این، با افزایش شعاع انحنا ابزار، میزان فشردگی اتمها در جلوی ابزار افزایش مییابد و باعث افزایش نیروهای ابزار بویژه در جهت عمودی میشود که در نهایت، باعث افزایش گرادیان درجه حرارت در قطعهکار بویژه در ناحیه براده میشود. 

منابع و مأخذ:

1- D. Dornfeld, D. Lee, “PrecisionManufacturing”, Springer Pub., 2008.

2- K. Maekawa, A. Itoh, “Friction and toolwear in nano-scale machining-a molecular

dynamics approach”, Wear 188, p.115-122,1995.

3- R. Komanduri, N. Chandrasekaran, L.M.Raff, “Effect of tool geometry in nanometric

cutting: an MD simulation approach”, Wear219, p.84-97, 1998.

4- R. Komanduri, N. Chandrasekaran, L.M.Raff, “Some aspects of machining with

negative rake tools simulating grinding: anMD simulation approach”, Phil. Mag. B 79,

p.955-968, 1999.

5- R. Komanduri, N. Chandrasekaran, L.M.Raff, “Orientation Effects in Nanometric 

Cutting of Single Crystal Materials: An MDSimulation Approach”, CIRP AnnalsManufacturing

Technology 48, p. 67-72, 1999.

6- R. Komanduri, N. Chandrasekaran, L.M.Raff, “MD simulation of exit failure in

nanometric cutting”, Materials Science andEngineering A 311, p.1-12, 2001.

7- T.H. Fang, Ch. I. Weng, “Threedimensionalmolecular dynamics analysis ofprocessing using a pin tool on the atomic

scale”, Nanotechnology 11, p.148–53, 2000.

8- Y. Takeuchi, M. Sakamoto, T. Sata,“Improvement in the working accuracy of an

NC lathe by compensating for thermalexpansion”, Precision Eng. 4 1, p.19–24, 1982.

9- N.A. Abukhshim, P.T. Mativenga, M.A.Sheikh, “Heat generation and temperature

prediction in metal cutting: A review andimplications for high speed machining”,

International Journal of Machine Tools &Manufacture 46, p.782–800, 2006.

10- G. Barrow, “A review of experimental andtheoretical techniques for assessing cutting

temperatures”, CIRP Annals-ManufacturingTechnology 22 2, p.203–211, 1973.

11- A.O. Schmidt, O.W. Gilbert, A. Boston,“Thermal balance method and mechanical

investigation for evaluating machinability”,Trans. ASME 67, p.84-97, 1945.

12- Y.Y. Ye, R. Biswas, et al., “Moleculardynamics simulation of nanoscale machining

of copper”, Nanotechnology 14, p.390–396,2003.

13- R. Rentsch, I. Inasaki, “Effects of fluids onthe surface generation in material removal

processes - molecular dynamics simulation”,CIRP Annals-Manufacturing Technology 55,

p.601-604, 2006.

14- R. Rentsch, I. Inasaki, “Moleculardynamics simulation of the nanometer scale

cutting process”, Int. J. ManufacturingResearch 1 1, p.83 – 100, 2006.

15- H. Chen, I. Hagiwara, “Parallel moleculardynamics simulation of nanometric grinding”,

Transactions of the Japan Society forComputational Engineering and Science 7, p.207-213, 2005.

16- J. Shimizu, L.B. Zhou, H. Eda,“Simulation and experimental analysis of super

high-speed grinding of ductile material”, J. ofMaterials Processing Technology 129, p.19-24,

2002.

17- D.C. Rapaport, “The Art of MolecularDynamics Simulation”, Cambridge University

Press, 1995.

18- D. R. Lide, “Handbook of Chemistry andPhysics”, CRC Press, 2002.

19- S.M. Foiles, M.S. Daw, M.I. Baskes,“Embedded-atom-method functions for the fcc

metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and theiralloys”, Physical Review B 33 12, p.7983-7991, 1986.

20- R. Komanduri, L.M. Raff, “A review onthe molecular dynamics simulation of

machining at the atomic scale”, Proceedings ofthe Institution of Mechanical Engineers Part B:

Journal of Engineering Manufacture 215,p.1639-1672, 2001.

21- I.F. Stowers et al., “Molecular dynamicssimulation of the chip forming process insingle crystal copper and comparison withexperimental data”, Proc. ASPE Annu. Meet.,p.13-18, 1991.