بررسي تحليلي و تجربي نيروي برشي در تراش‌كاري به كمك پلاسماي فولاد سخت‌شده

Analytical and experimental modeling of cutting force in plasma assisted turning of hardened steel

ماشين‌كاري به كمك پلاسما، يكي از روش‌هاي بهبود ماشين‌كاري مواد سخت است. در فرآيند تراش‌كاري به كمك پلاسما، از قوس پلاسما با دماي زياد براي گرم كردن منطقه كوچكي از قطعه‌كار در جلوي ابزار استفاده مي‌شود و فقط قسمت كوچكي از ماده در جلوي ابزار، كه قرار است براده‌برداري شود، بر اثر گرم شدن نرم مي‌شود. هدف از اين مطالعه، ارايه يك روش براي محاسبه نيروهاي برشي در حين تراش‌كاري به كمك پلاسما است. بدين‌منظور يك مدل تفاضل محدود براي تعيين دماي براده تغيير شكل نيافته، در شرايط مختلف جريان پلاسما، سرعت برشي و مقدار پيشروي در حين گرم كردن قطعه‌كار به كمك پلاسما، ايجاد شد. يك مدل تحليلي براي تخمين نيروهاي برشي در شرايط مختلف ماشين‌كاري به كمك پلاسما با توجه به تنش‌هاي برشي در صفحه برش، ناحيه اصطكاكي براده– ابزار و تنش‌هاي وارده بر لبه ابزار توسعه داده شد. مدل پيشنهاد‌شده، توسط داده‌هاي تجربي در حين تراش‌كاري معمولي (بدون پلاسما) كاليبره شده و مدل كاليبره‌شده براي شرايط مختلف تراش‌كاري به كمك پلاسما اعتبارسنجي شد. خطاي متوسط مدل ساخته‌شده و نتايج تجربي كمتر از ده درصد بوده و نتايج تحليلي و تجربي نشان دادند كه در تراش‌كاري به كمك پلاسما، نيروي اصلي تراش تا 40 درصد در شرايط آزمايش شده نسبت به تراش‌كاري معمولي براي فولاد سخت‌شده، در بيشترين دماي براده تغيير شكل نيافته، كاهش مي‌يابد.

Plasma assisted machining (PAM) is a method to improve machinability of hard turning. The process of plasma assisted machining for turning applications utilizes a high-temperature plasma arc to provide a controlled source of localized heat, which softens only that small portion of the work material removed by the cutting tool. The goal of this study is to present a methodology for determination of cutting force during plasma enhanced turning of hardened steel AISI 4140. In this regard, a finite differential model was made to estimate the uncut chip temperature under different plasma currents, cutting speeds and feeds during PAM. A mechanistic model was developed to estimate cutting force under different PAM conditions by considering shear stresses in the primary, secondary shear zones and force on the tool edge. The proposed model was calibrated with experimental hard turning data, and further validated over practical PAM conditions. Mean errors of predicted values and experimental data are lower than 10 percent. It is shown that PAM can decrease main cutting force in comparison with convectional to 40 percent in turning of hardened steel at high levels of uncut chip temperature due to softening the material.