تحلیل مکانیکی ماشینکاری سوراخ عمیق و شبیه سازی فرآیند حفاری

چکیده: ماشینکاری سوراخ عمیق در حالت آستانه بسته همپوشانی دارد و وضعیت برش ابزار را نمی توان مستقیماً مشاهده کرد.نرم افزار شبیه سازی شکل دهی پلاستیک فلزی DEFORM-3D برای شبیه سازی پویا فرآیند حفاری سوراخ عمیق با روش اجزای محدود، پیش بینی تغییرات دما و تنش در فرآیند پردازش، مقایسه تغییرات دما و تنش معادل تحت پارامترهای مختلف حفاری و منحنی تغییر دمای برش و نیروی چپ معادل را تحت سرعت های مختلف برش به دست آورید.نتایج نشان می‌دهد که دمای برش با افزایش عمق برش افزایش می‌یابد و به تدریج به ثبات می‌رسد.دمای برش متناسب با سرعت برش است، در حالی که نیروی اثر با تغییر پارامترهای برش تغییر زیادی نمی کند.

کلمات کلیدی: روگونگ سوراخ عمیق.D eform -3D;حفاری
ماشینکاری سوراخ عمیق یکی از دشوارترین فرآیندها در ماشینکاری سوراخ است و فناوری حفاری جامد سوراخ عمیق به عنوان فناوری کلیدی فناوری ماشینکاری سوراخ عمیق شناخته می شود.روش پردازش سنتی زمان بر و کار فشرده است، و دقت پردازش سوراخ عمیق زیاد نیست، همچنین مشکل تعویض مکرر ابزار و خطر شکستن ابزار وجود دارد [1].در حال حاضر حفاری با تفنگ یک روش پردازش ایده آل است.در فرآیند پردازش سوراخ عمیق، لوله مته نازک و بلند است، به راحتی منحرف می شود، ارتعاش ایجاد می کند، و گرمای تولید شده و شانه برش به راحتی تخلیه نمی شود.مشاهده مستقیم وضعیت برش ابزار امکان پذیر نیست.در حال حاضر، هیچ راه ایده آلی برای نظارت بر تغییر دما و توزیع در منطقه برش در زمان واقعی [w] وجود ندارد.فقط می توان از تجربه برای قضاوت در مورد طبیعی بودن فرآیند برش با گوش دادن به صدای برش، تماشای تراشه ها، لمس لرزش و سایر پدیده های ظاهری استفاده کرد.

در سال‌های اخیر، با توسعه سریع فناوری سخت‌افزار رایانه و شبیه‌سازی عددی، فناوری شبیه‌سازی یک راه علمی و فناوری کارآمد برای حل این مشکل ارائه می‌کند [4].حفاری شبیه سازی برای بهبود دقت ماشینکاری، پایداری و کارایی سوراخ های عمیق اهمیت زیادی دارد.در حال حاضر، برخی از محققان می توانند به طور غیرمستقیم فرآیند پردازش را از طریق برخی روش های اندازه گیری پیشرفته و تجزیه و تحلیل نرم افزاری، قضاوت یا پیش بینی کنند.به عنوان مثال، دینگ ژنگونگ از دانشگاه شیان جیائوتنگ و سایر محققان یک پلت فرم اندازه گیری آنلاین برای اندازه گیری قطر داخلی سوراخ های عمیق راه اندازی کردند [5]، اما فرآیند پردازش نمی توانست به صورت آنلاین نظارت شود.برخی از مهندسان با تغییر ساختار سنتی ماشین ابزار، فناوری پردازش سوراخ های عمیق را بهبود بخشیدند.به عنوان مثال، به منظور جلوگیری از خراشیدگی شانه برش بر روی دیواره سوراخ پس از پردازش، از دوک ماشین ابزار در یک ساختار معکوس استفاده شد و از وزن خود مایع برش و شانه برش برای تخلیه روان تر براده ها استفاده شد. از شیار V شکل لوله مته [6] و سایر اقدامات، به طور موثر کیفیت حفاری را بهبود می بخشد.

در این مقاله، نرم افزار شبیه سازی شکل دهی پلاستیک فلز Def 〇 rm-3D برای شبیه سازی پویا فرآیند حفاری استفاده شده است.تغییرات دما و تنش تحت سرعت های مختلف برش به دست می آید و اثر پردازش سوراخ عمیق از قبل پیش بینی می شود که مبنایی برای طراحی و اجرای خنک کننده پردازش سوراخ عمیق فراهم می کند.

1. اصل کار و تکنولوژی حفاری مته تفنگ
1.1 اصل کار مته تفنگ
مته تفنگی ابزار اصلی برای ماشینکاری سوراخ های عمیق است.دارای ویژگی های دقت خوب و زبری سطح کم پس از یک بار سوراخ کردن است [7].ساختار اصلی مته تفنگی در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل 1 ساختار اصلی مته تفنگی
مته تفنگی از سر، لوله مته و دسته تشکیل شده است.سر قسمت کلیدی کل مته تفنگ است که عموماً از کاربید سیمانی ساخته شده است.دو نوع وجود دارد: نوع انتگرال و نوع جوشی که معمولاً با لوله مته جوش داده می شود.لوله مته مته تفنگی معمولاً از فولاد آلیاژی مخصوص ساخته شده و عملیات حرارتی شده است تا از استحکام و استحکام خوبی برخوردار باشد و باید از استحکام و چقرمگی کافی برخوردار باشد.دسته مته تفنگی برای اتصال ابزار به دوک ماشین ابزار استفاده می شود و طبق استانداردهای خاصی طراحی و ساخته می شود.

1.2 فرآیند حفاری تفنگ
در حین کار، دسته مته تفنگی روی دوک ماشین ابزار بسته می شود و مته از طریق سوراخ راهنما یا آستین راهنما برای حفاری وارد قطعه کار می شود.ساختار منحصر به فرد تیغه مته نقش خود هدایتی را ایفا می کند و دقت برش را تضمین می کند.ابتدا سوراخ پایلوت را پردازش کنید و سپس با سرعت تغذیه معین به 2 تا 5 میلی متر بر روی سوراخ پایلوت برسید، یعنی نقطه شکل 2. در همان زمان، خنک کننده را با خنک سازی درونی باز کنید.بعد از رسیدن به سوراخ خلبان ماشین کاری را با سرعت معمولی شروع کنید.در طول فرآیند ماشینکاری، تغذیه متناوب را اتخاذ کنید و هر بار تغذیه کنید!2 عمق، سوراخ عمیق و شانه کوتاه.وقتی ماشینکاری تمام شد و از موجودیت خارج شد، ابتدا ابزار را با سرعت بالا تا فاصله معینی از ته سوراخ خارج کنید، سپس با سرعت کم از سوراخ پایلوت خارج شوید و در نهایت به سرعت قطعه کار ماشینکاری را رها کرده و مایع خنک کننده را خاموش کنید.کل فرآیند در شکل 2 نشان داده شده است. خط نقطه چین نشان دهنده تغذیه سریع و خط ثابت نشان دهنده تغذیه آهسته است.

2. تجزیه و تحلیل نیروی حفاری سوراخ عمیق
در مقایسه با سایر روش های برش فلز، مهم ترین تفاوت بین حفاری سوراخ عمیق و سایر روش های برش فلز این است که حفاری سوراخ عمیق از موقعیت و پشتیبانی بلوک راهنما برای حفاری در حفره بسته استفاده می کند.تماس بین ابزار و قطعه کار تنها تماس تیغه + 91 نیست، بلکه تماس بین بلوک راهنمای اضافی روی ابزار و قطعه کار است.
همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. مته سوراخ عمیق از سه قسمت تشکیل شده است: بدنه ابزار برش، دندان برش و بلوک راهنما.بدنه کاتر توخالی است.شانه برش از انتهای جلو وارد می شود و از طریق حفره لوله مته تخلیه می شود.رزوه عقب برای اتصال به لوله مته استفاده می شود.لبه برش اصلی روی دندان های کاتر به دو قسمت لبه بیرونی و لبه داخلی تقسیم می شود.
با در نظر گرفتن کبالت در سوراخ عمیق شانه داخلی چند تیغه به عنوان مثال، تیغه کمکی و دو بلوک راهنما در یک محیط قرار دارند و دایره ثابت سه نقطه ای خود هدایت می شود.نیروی وارد بر آن تجزیه و تحلیل می شود.مدل مکانیکی ساده شده در شکل نشان داده شده است

4. (1) نیروی برش F. نیروی برش در ابزارهای سوراخ عمیق را می توان به نیروهای مماسی عمود بر متقابل F،،، و نیروهای شعاعی F تجزیه کرد، و نیروی محوری نیروی شعاعی مستقیماً منجر به تغییر شکل خمشی ابزار می شود، نیروی محوری ابزار را افزایش می دهد. سایش، در حالی که نیروی مماسی روی لبه برش عمدتاً گشتاور تولید می کند.در فرآیند پردازش، همیشه امید است که با اطمینان از کیفیت و کارایی پردازش، نیروی محوری و گشتاور تا حد امکان کاهش یابد.به طور کلی، طول عمر ابزار به طور مستقیم با نیروی محوری و گشتاور مرتبط است.نیروی محوری بیش از حد باعث می شود مته شکسته شود و گشتاور بیش از حد نیز سایش و شکستن ابزار را تا زمانی که [1 درجه] از بین برود تسریع می کند.
(2) اصطکاک F/.هنگامی که بلوک راهنما نسبت به دیواره سوراخ می چرخد، اصطکاک/و/2 ایجاد می شود.اصطکاک محوری بین بلوک راهنما و دیواره سوراخ هنگامی که در امتداد محور حرکت می کند / lu و 7L است.
(3) نیروی اکستروژن نیروی اکستروژن ناشی از تغییر شکل الاستیک دیواره سوراخ است.نیروی اکستروژن بین بلوک راهنما و دیوار سوراخ M و ^ 2 است. با توجه به اصل تعادل سیستم نیرو می توان دانست که:
کجا: نیروی حاصل از نیروی برش عمودی است.اف،.حاصل نیروی برش شعاعی است.F حاصل نیروی برش محیطی است.با فرض اینکه فقط ضریب اصطکاک کولن در نظر گرفته شود، اصطکاک محوری و اصطکاک محیطی روی بلوک راهنما برابر است.می تواند مستقیماً از طریق آزمایش باشد
گشتاور M و F a اندازه گیری شده در حین پردازش سوراخ عمیق را وصل کنید.
برای یک مته مشخص، قطر اسمی آن است و زاویه موقعیت بلوک راهنما تعیین می شود.علاوه بر این، نیروی محوری تجربی نیروی برش نیمی از نیروی برش اصلی است.با سنتز فرمول فوق می توان مولفه های نیروی برش و نیروی وارد بر بلوک راهنما را محاسبه کرد.

3. شبیه سازی حفاری مته تفنگ
حفر سوراخ عمیق شانه داخلی در حالت بسته یا نیمه بسته انجام می شود.گرمای برش به راحتی پخش نمی شود، شانه به سختی مرتب می شود، و استحکام سیستم فرآیند ضعیف است.هنگامی که مایع خنک کننده تولید شده در حفاری نمی تواند وارد منطقه برش شود و در نتیجه خنک کننده و روغن کاری ضعیفی داشته باشد، دمای ابزار به شدت افزایش می یابد و سایش ابزار را تسریع می کند.با افزایش عمق حفاری، برآمدگی ابزار افزایش می یابد و استحکام سیستم فرآیند حفاری کاهش می یابد.همه اینها الزامات خاصی را برای فرآیند حفاری سوراخ عمیق با حذف تراشه داخلی مطرح می کند.این مقاله گرما و نیروی برش تولید شده در فرآیند برش را از طریق شبیه‌سازی بازتولید شرایط پردازش واقعی پیش‌بینی می‌کند، که مبنایی برای بهینه‌سازی فرآیند حفاری سوراخ عمیق فراهم می‌کند.3.1 تعریف پارامترهای حفاری و خواص مواد DEFORM مجموعه ای از سیستم شبیه سازی فرآیند مبتنی بر المان محدود برای تجزیه و تحلیل فرآیند شکل دهی فلز است.با شبیه سازی کل فرآیند پردازش در کامپیوتر، مهندسان و طراحان می توانند عوامل نامطلوب را در شرایط کاری مختلف از قبل پیش بینی کنند و به طور موثر فرآیند پردازش nM2 را بهبود بخشند.در این مقاله از نرم‌افزار مدل‌سازی سه بعدی Pm/E برای ترسیم مدل ابزار شبیه‌سازی استفاده می‌شود و مدل به عنوان فرمت STL در Defo rm - 3 D وارد می‌شود ذخیره می‌شود. پارامترها و شرایط برش مجموعه در جدول 1 نشان داده شده است.
(1) تنظیم شرایط کار: حفاری را به عنوان نوع ماشین کاری انتخاب کنید، استاندارد واحد SI است، ورودی سرعت برش و نرخ تغذیه، دمای محیط 20 تن است:، ضریب اصطکاک سطح تماس قطعه کار 0.6، انتقال حرارت است. ضریب 45 وات بر متر مربع است.0C، و ذوب حرارتی 15 N/mm2/X است.
(2) تنظیم ابزار و قطعه کار: ابزار سفت و سخت است، مواد فولادی 45 است، قطعه کار پلاستیکی است، و مواد کاربید WC است.
(3) رابطه بین اشیاء را تنظیم کنید: رابطه برده اصلی D e fo rm این است که بدنه صلب قسمت اصلی و بدنه پلاستیکی بخش است، بنابراین ابزار فعال است و قطعه کار رانده می شود.
جدول 1 پارامترهای اصلی قطعه کار و ابزار
به منظور مقایسه تأثیر پارامترهای مختلف فرآیند بر تغییرات دما، تنش و کرنش در فرآیند برش، شبیه‌سازی تحت پارامترهای مختلف حفاری مطابق جدول 2 انجام شده و نتایج مشاهده می‌شود.
جدول 2 پارامترهای حفاری تفنگ

3.2 شبیه سازی حفاری و تجزیه و تحلیل نتایج
(1) دما
بیشتر انرژی مصرف شده در برش فلز به انرژی گرمایی تبدیل می شود.این گرما باعث افزایش دمای ناحیه برش می شود و مستقیماً بر سایش ابزار، دقت ماشینکاری و کیفیت سطح قطعه کار تأثیر می گذارد.در برش فلزات با سرعت بالا، اصطکاک و شکست شدید باعث می شود دمای محلی در مدت زمان کوتاهی به دمای بسیار بالا برسد.در حفاری تفنگی، گرما عمدتاً از تغییر شکل شانه برش فلز، اصطکاک بین پد نگهدارنده مته و پد سوراخ قطعه کار، و اصطکاک شانه برش روی صفحه چنگک ابزار می آید [13].تمام این گرما باید توسط مایع برش خنک شود.با شبیه سازی فرآیند حفاری، تغییرات دما در ناحیه تماس قطعه کار در سرعت ها و تغذیه های مختلف به دست می آید.این داده‌ها پایه‌ای طراحی برای بهینه‌سازی سیستم خنک‌کننده در حین ماشینکاری سوراخ عمیق ارائه می‌کنند.با توجه به الزامات عملکرد بالای کامپیوتر برای شبیه سازی فرآیند حفاری، زمان زیادی برای شبیه سازی فرآیند پردازش سوراخ کامل نیاز است.با تنظیم اندازه گام شبیه سازی حفاری، عمق شبیه سازی برای دستیابی به پردازش پایدار کنترل می شود.
تنظیم شرایط شبیه‌سازی تعداد مراحل شبیه‌سازی 1000، تعداد گام‌های فاصله زمانی شبیه‌سازی 50 تنظیم می‌شود و داده‌ها به‌طور خودکار هر 50 مرحله ذخیره می‌شوند.Deform-3D از فناوری تولید مش تطبیقی ​​استفاده می کند.قطعه کار یک بدنه پلاستیکی است.تولید مش برای محاسبه نیروی برش استفاده می شود.نوع عنصر مطلق در شکل 5 نشان داده شده است و نتایج شبیه سازی در آن نشان داده شده است

جدول 3.
شکل 5 مدل المان محدود و فرآیند حفاری مته سوراخ عمیق
جدول 3 مجموعه داده های سرعت و دما برش با مراحل
با تجزیه و تحلیل و پردازش داده های جدول 3، منحنی های تغییر دمای ناحیه برش قطعه کار با تعداد مراحل در سه شرایط کاری مطابق شکل 6 به دست می آید.
شکل 6 نشان می دهد که سرعت حفاری تاثیر زیادی بر دمای ناحیه تماس قطعه کار دارد.در ابتدای حفاری، مته و قطعه کار شروع به تماس می کنند و میزان تغذیه زیاد است.ضربه شدید ابزار به قطعه کار باعث می شود دمای اولیه به شدت تغییر کند و به سرعت افزایش یابد.از آنجایی که حفاری تمایل به پایداری دارد، منحنی به طور کلی ملایم می شود اما همچنان در نوسان است، که برای پردازش حفره های عمیق طبیعی است.از آنجایی که قطر مته کوچک است و سرعت تغذیه زیاد است، لرزش ادامه خواهد داشت.
همچنین از شکل 6 می توان دریافت که سرعت حفاری تأثیر زیادی بر دما دارد.با افزایش سرعت دمای حفاری بالاتر و بالاتر می رود.از نتایج مدل المان محدود، حداکثر دمای تولید شده در سرعت‌های مختلف حفاری در ناحیه تغییر شکل محلی نزدیک به نقطه مته رخ می‌دهد، زیرا این جایی است که تغییر شکل پلاستیک و اصطکاک شانه ابزار متمرکز می‌شود.
شکل 6 منحنی تغییر دمای ناحیه تماس با سرعت برش

(2) توزیع تنش معادل
تنش فون میزس یک تنش معادل بر اساس انرژی کرنش برشی و یک معیار تسلیم است.پس از معرفی تنش معادل، مهم نیست که وضعیت تنش جسم عنصر چقدر پیچیده باشد، می توان آن را به عنوان تنش در هنگام تحمل کشش یک طرفه بر روی مقدار عددی تصور کرد.رابطه متناظر بین تنش معادل و کرنش معادل به‌دست‌آمده از تجزیه و تحلیل، منعکس‌کننده سخت شدن کار مواد قطعه کار ناشی از تغییر شکل پلاستیک از طریق تحلیل اجزای محدود است. تغییرات تنش معادل مته تفنگی در سرعت‌های مختلف حفاری به‌دست می‌آید.فاصله شبیه سازی 50 مرحله است و نتایج به طور خودکار هر 50 مرحله ذخیره می شوند، همانطور که در جدول 4 نشان داده شده است.

جدول 4 جمع آوری داده ها از سرعت برش و نیروی برابر با مراحل
تجزیه و تحلیل رابطه بین تنش معادل و تعداد مراحل در شکل 7 نشان داده شده است. مشاهده می شود که سرعت های مختلف اسپیندل تأثیر کمی بر تنش معادل قطعه کار در طول پردازش دارند و در محدوده خاصی نوسان می کنند، اما روند حداکثر تغییر تنش معادل تحت سه شرایط پردازش بسیار مشابه است.
منحنی شکل 7 تنش معادل حفاری نشان می دهد که تنش در مرحله اولیه حفاری زیاد است.همانطور که عمق حفاری پایدار می شود، منحنی به طور کلی کاهش می یابد و ملایم می شود.در عین حال، از طریق تحلیل تنش و کرنش، حداکثر تنش معادل مته تفنگ 1550 M Pa و حداکثر جابجایی کلی 0.0823 متر متر است.

4. نتیجه گیری
فرآیند برش سوراخ عمیق با استفاده از نرم افزار Defo rm به طور موثر شبیه سازی شده است.تغییر دما و تغییر تنش در فرآیند برش مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد و منحنی تغییر بین دمای برش و سرعت برش به دست می آید.این یک مبنای مشخص برای مطالعه مکانیسم برش ماشینکاری سوراخ عمیق، انتخاب پارامترهای برش و طراحی سیستم خنک کننده در ماشینکاری واقعی فراهم می کند.