SUPERVISOR
Peiman Mosaddegh,Seyed Mohsen Safavi
پیمان مصدق (استاد مشاور) سید محسن صفوی (استاد راهنما)
STUDENT
Javad Enayati najafabadi
جواد عنایتی نجف آبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Cryogenic Machining and its Effects on Tool Life and Surface Quality
Industries follow a method to deliver their products to the market with the least cost. Stable development leads industries to overcome environmental problems and risks from human activities and so machining as one of the production factors follows these rules. Temperature is one of the main factors of wear and tool wear determines tool life, optimum speed and machining cost. Because of human and environmental risks using soapy water is gradually replaced by environmental compatible coolants. Cryogenic method that uses liquid nitrogen as tool cooler, is one of the important methods. In this research Ck45 and 100Cr6 steels have been used. The steel type of 100Cr6 is widely used for manufacturing of bearings being used in movable parts of machines. This steel is included in high-carbon, low-alloy steels and in ranking diagram is hypertectoid. This steel has 1.1 % carbon and is used when good wear properties or more strength than the strength of simple carbon steel is needed. Ck45 steel is a carbon steel which is included in group of heat treated steels. Moreover it is in group of high temperature resistant construction steels. This steel has much use in automobile parts and motors and is also used in high temperature manufacturing consumable screws (approximately 400° centigrade). Turning was performed with 2 cutting speeds 94.24 and 125.6 m/min with timings of 2, 4, 6, 8, 10 min and using dry, soapy water and cryogenic machining methods respectively and tool wear was measured in each case and tool life duration was evaluated. Taylor's equation constants related to cutting speed were calculated and used to find optimum speed of turning and machining cost was calculated and compared in 3 methods. In cutting speeds of 94.25 and 125.66 m/min for 100 Cr6 steel, using cryogenic coolant decreases wear ratio up to 48 and 55 percent in comparison with dry method, and also decreases 19 and 37 percent in comparison with soapy water method. Moreover results in cutting speeds of 94.25 and 125.66 m/min for Ck45 steel show 48 and 36 percent decrease in wear ratio in cryogenic method in comparison with dry method and 24 and 35 percent decrease in comparison with soapy water. Furthermore, cryogenic method leads to an increase of 30 and 50 percent tool life for 100Cr6 steel, 27 and 37 percent for Ck45 steel in comparison with soapy water, an increase of 82 and 120 percent for 100Cr6 steel, and the increase of 80 and 114 percent for Ck45 steel in comparison with dry method in 94.24 and 125.6 m/min respectively, that shows comparative advantage of cryogenic method in high speeds. Machining cost in cryogenic method can decrease up to 0.7 of the cost of dry machining and 0.8 of the cost of soapy water machining. With increasing the price of machining time and hardness of work piece, the cryogenic method cost has more decrease in comparison with the other two methods. The finish of final surface in cryogenic method is better than dry machining, however in soapy water at first roughness is better because of the property of lubrication of soapy water but after some time, because of more wear of tool, roughness is worse in comparison with cryogenic method. Because liquid nitrogen has little contact on final surface, cryogenic machining has no noticeable effect on structure and hardness of final surface. Key words Cryogenic machining, Ck45 steel, 100Cr6 steel, Tool life, Surface roughness, Machining cost
صنایع به دنبال روشی هستند که تولیدات خود را با کمترین هزینه به بازار ارائه دهند. توسعه پایدار صنایع را ملزم به رفع مشکلات زیستمحیطی و مخاطرات انسانی فعالیتهای خود مینماید و ماشینکاری نیز بهعنوان یکی از متغیرهای تولید از این قوانین پیروی میکند. حرارت از عوامل اصلی سایش میباشد و سایش در ابزار تعیینکننده عمر ابزار، تأثیرگذار در سرعت بهینه و هزینه ماشینکاری است. استفاده از آبصابون به علت مخاطرات زیستمحیطی و انسانی بهتدریج جای خود را به خنککنندههای سازگاربامحیطزیست میدهد که روش برودتی یعنی استفاده از نیتروژن مایع بهعنوان خنککننده ابزار، نیز یکی از روشهای مطرح میباشد. در این تحقیق از فولادهای 100Cr6 و Ck45 استفاده گردیده است. فولاد 100Cr6 از دسته فولادهایی است که در ساخت یاتاقانهای مورداستفاده در اجزای متحرک ماشینها کاربرد فراوانی دارد. این فولاد در ردهبندی فولادها جز فولادهای پرکربن و کم آلیاژ و در ردهبندی دیاگرام از نوع هیپرتکتویید محسوب میشود. این فولاد شامل 1/1 درصد کربن است. در مواردی که خواص سایشی خوب یا استحکام بالاتر از استحکام فولادهای کربنی ساده موردنیاز باشد استفاده میشود. فولاد Ck45 فولاد کربنی ساده میباشد که در گروه فولادهای عملیات حرارتی شونده قرارگرفتهاند. همچنین در گروه فولادهای ساختمانی مقاوم در دمای بالا نیز آورده میشوند. عمده کاربرد این فولاد در قطعات اتومبیل و موتورها میباشد. همچنین در ساخت پیچهای مصرفی در دمای بالا (حدود 400 درجه سانتیگراد) نیز استفاده میشود. تراشکاری با دو سرعت برشی 24/94 و 6/125 متر بر دقیقه و در مدتزمانها2 ، 4، 6، 8 و 10 دقیقه و با سه روش ماشینکاری خشک، ماشینکاری با آبصابون و ماشینکاری برودتی انجام و سایش ابزار در هر مورداندازهگیری شد و با استفاده از آن طول عمر ابزار برآورد گردید. ثابتهای معادله تیلور مرتبط با سرعت برشی محاسبه شد و با استفاده از آن سرعت بهینه تراشکاری استخراج و هزینه ماشینکاری محاسبه و در سه روش باهم مقایسه گردید. استفاده از خنککننده برودتی موجب کاهش 55 و 48 درصدی نرخ سایش درروش برودتی نسبت به خشک و 37 و 19 درصدی نسبت به آبصابون به ترتیب در سرعتهای برشی 66/125 و 25/94 متر بر دقیقه بر روی فولاد100Cr6 میگردد. همچنین موجب کاهش 48 و 36 درصدی نرخ سایش درروش برودتی نسبت به خشک و 35 و 24 درصدی نسبت به آبصابون به ترتیب در سرعتهای برشی 66/125 و 25/94 متر بر دقیقه بر روی فولاد Ck45 میگردد. نتایج نشاندهنده افزایش 30 و 50 درصدی عمر ابزار برای فولاد 100Cr6، 27 و 37 درصدی برای فولاد Ck45 درروش برودتی نسبت به آبصابون، افزایش 82 و 120 درصدی برای فولاد100Cr6 و 80 و 114 درصدی برای فولاد Ck45 درروش برودتی نسبت به خشک به ترتیب در سرعتهای 24/94 و 6/125 متر بر دقیقه است که بیانگر مزیت نسبی روش برودتی در سرعتهای بالا میباشد. هزینه ماشینکاری درروش برودتی میتواند تا حدود 7/0 هزینه ماشینکاری خشک و 8/0 روش ماشینکاری با استفاده از آبصابون کاهش پیدا کند. با بالا رفتن قیمت ساعت کار ماشین و سختی قطعه کار، نسبت هزینه روش برودتی نسبت به دو روش دیگر کاهش بیشتری پیدا میکند. صافی سطح نهایی درروش برودتی بهتر از روش خشک میباشد ولی در مورد آبصابون در ابتدا به علت خاصیت روان کاری آبصابون صافی بهتر ولی بعد از گذشت مدتزمانی به علت فرسایش بیشتر ابزار صافی بدتری نسبت به روش برودتی دارد. به علت تماس محدود نیتروژن مایع با سطح نهایی، ماشینکاری برودتی تأثیرات محسوسی بر ساختار و سختی سطح نهایی ندارد. کلمات کلیدی: ماشینکاری برودتی، فولاد Ck45، فولاد 100Cr6، عمر ابزار، صافی سطح، هزینه ماشینکاری