Skip to main content
SUPERVISOR
Seyed Mohsen Safavi,Mohammad Reza Razfar
سید محسن صفوی (استاد راهنما) محمدرضا رازفر (استاد مشاور)
 
STUDENT
Alireza Asgari
علی رضا عسگری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Experimental and Numerical study of Tool Wear in Hard Turning of AISI4140 Using Nano Fluids
Tool wear is one of the most important aspects in metal cutting, especially when machining of hardened steels is concerned. It is an important process because all manufacturers are continually seeking ways to manufacture their parts with lower cost, higher quality, rapid setups, lower investment, and smaller tooling inventory while eliminating non-value added activities. Hardened steel AISI 4140 material is commonly used to produce automotive parts such as shafts, gears and bearings. Machining this material significantly increases the temperature and friction in the cutting zone. Liberation of heat and generation of friction associated with hard turning operation are problems which not only reduce the tool life but also impair quality of the product. Cutting fluids have been the conventional choice to curtail friction and temperatures in machining because of its lubrication and cooling actions. Using nano-cutting fluid instead of convectional cutting fluid is novel approach to solve cited problem. Nano-fluid is a colloidal mixture of nanometer-sized ( 100 nm) metallic and non-metallic particles in conventional cutting fluid. Addition of the nanoparticles can alter lubricating properties, and convective heat transfer coefficient (cooling properties) of nano-cutting fluids. In this research work, Nano-cutting fluid is made by adding (0.0-1.5) % Tio2 nanoparticles with average size of 20 nm to distilled cutting fluid. Cutting speed, feed rate, concentration of nano-cutting fluid has been considered as main parameters of hard turning operation. Totally, 45 experiments have been designed using full factorial method to analyze the effects of process parameters on maximum flank wear. These influences, moreover, are compared with the outputs of similar tests through dry machining. The obtained results showed 1.5% volume fraction of TiO 2 Nanoparticles added to water as cutting fluid was considerably reduced maximum tool flank wear, machining force and surface roughness in comparison to dry machining. The investigations indicated that TiO 2 Nano-fluid reduced maximum tool flank wear, surface roughness and machining force by 30%, 40% and 35% respectively. Moreover, the results illustrated that the lowest maximum flank wear obtained in cutting speed 61.23 m/min, feed rate 0.11 mm/rev and cutting nano-fluid containing 1.5% volume fraction of TiO 2 nanoparticles. Furthermore, maximum tool flank wear was predicted by thermo-mechanical analysis with Finite Element Method-based procedure. Deform-3D FEM software was used to simulate the cutting process and a suitable subroutine was implemented into the software in order to evaluate the maximum tool flank wear and to update the tool geometry. Finally, maximum tool flank wears were extracted from experimental tests and numerical predictions were compared. Keywords: Tool wear, Nano-Fluid, Finite Element Method, Hard Turning.
سایش ابزار یکی از مهم ترین موضوعات در ماشینکاری و به خصوص ماشینکاری فولادهای سخت است. اهمیت این موضوع از آن جهت است که اکثر صنایع به منظور حذف فعالیت های فاقد ارزش افزوده، به دنبال روش هایی هستند که قطعات خود را با کمترین هزینه و بهترین کیفیت تولید کنند. فولاد سخت 4140 معمولا برای تولید قطعات صنایع اتومبیل سازی و صنایع هوافضا از قبیل محور، چرخدنده و بلبرینگ به کار می رود. ماشینکاری این قطعات به علت سختی بالا، دمای منطقه ماشینکاری و اصطکاک را در ناحیه برش افزایش می دهد. این حرارت و اصطکاک تولید شده در ناحیه برش یکی از مشکلاتی است که علاوه بر کاهش عمر ابزار، کیفیت سطح قطعه کار را نیز تحت تاثیر قرار می دهد. یکی از رویکردهای متداول برای کاهش حرارت تولید شده استفاده از سیالات برشی است. این سیالات به واسطه خاصیت روان کاری و خنک کاری شان تا حدودی اثرات مخرب حرارت و اصطکاک را بهبود می بخشند. کاربرد سیالات حاوی نانوذرات رویکردی نوین در این راستا به حساب می آید. نانوسیال برشی یک سوسپانسیون از نانوذرات فلزی و غیرفلزی با اندازه کم تر از 100 نانومتر در سیال برشی پایه است. افزودن این نانوذرات می تواند خواص روانکاری و حرارتی سیال برشی پایه را بهبود بخشد. در این تحقیق تأثیر نانوسیال اکسید تیتانیوم با سیال پایه آب بر روی بیشینه آستانه فرسایش ابزار، نیروی ماشینکاری و زبری سطح قطعه کار در فرایند تراشکاری فولاد ابزار عملیات حرارتی شده (AISI 4140) مورد مطالعه قرار گرفته است. نانوسیال مورد استفاده از افزودن ذرات 20 نانومتری اکسید تیتانیوم با درصد حجمی مختلف (5/0تا5/1 درصد حجمی) به سیال آب مقطر تهیه شده است. سرعت برشی، نرخ پیشروی و درصد حجمی نانوسیال به عنوان پارامترهای اصلی فرآیند تراشکاری سخت درنظر گرفته شد. پس از طراحی آزمایش به روش فاکتوریل کامل، تعداد 45 تست به منظور بررسی تاثیر پارامترهای فرآیند بر روی بیشینه آستانه فرسایش انجام شد. نتایج بدست آمده نشان می دهد افزودن نانو ذرات اکسید تیتانیوم به مقدار 5/1 درصد حجمی به آب موجب کاهش قابل ملاحظه مقدار بیشینه آستانه فرسایش، زبری سطح قطعه کار و نیروی ماشینکاری نسبت به حالت خشک می شود. بر اساس نتایج حاصل، نانوسیال برشی اکسید تیتانیوم بیشینه آستانه فرسایش، زبری سطح و نیروی ماشینکاری را به ترتیب30 و 40 و 35 درصد نسبت به حالت خشک کاهش می دهد و در هنگام استفاده از نانوسیال مذکور در محدوده آزمایش های به عمل آمده کمترین آستانه فرسایش در سرعت پیشروی 11/0 میلی متر بر دور و سرعت برشی 23/61 متر بر دقیقه و غلظت حجمی 5/1 درصد نانوذرات اکسید تیتانیوم حاصل شد. هم چنین مقدار بیشینه آستانه فرسایش ابزار توسط یک آنالیز کوپل مکانیکی-حرارتی به روش المان محدود در نرم افزار شبیه سازی دیفورم پیش بینی شد. در نهایت مقادیر بیشینه آستانه فرسایش ابزار حاصل از تست های تجربی و شبیه سازی المان محدود، با یکدیگر مقایسه شدند. کلمات کلیدی: 1- سایش ابزار2-نانوسیال 3-روش المان محدود4 -تراشکاری سخت

ارتقاء امنیت وب با وف بومی