∆ΥΝΑΜΙΚΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΛΕΙΑΝΣΗΣ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ∆Ο ΤΩΝ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Καθ. Αριστομένης Αντωνιάδης∆ρ. Μηχ. Μαρία Παππά

Ευάγγελος ∆ασκαλάκης

Πολυτεχνείο Κρήτης – Χανιά 2016

Παρουσίαση διπλωματικής εργασίας

Σκοπός και δομή της εργασίας

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η αναλύση μέσω πεπερασμένων στοιχείων της δυναμικής καιθερμικής συμπεριφοράς εργαλείων λείανσης που έχουν τη δυνατότητα να αλλάζουν γεωμετρία μέσωσυμπίεσης της αρχικής τους γεωμετρίας. Πιο συγκεκριμένα, τα εργαλεία που μελετώνται έχουν αρχικάσφαιρική γεωμετρία διαμέτρου 25mm και είναι φτιαγμένα από πολυμερές υλικό εμπλουτισμένο μενανοπρόσθετα στοιχεία από σκληρά μέταλλα.

∆ομή παρουσίασης:

• Η κατεργασία της λείανσης

• Είδη λείανσης και υλικά κόκκων

• Προσδιορισμός τρισδιάστατης γεωμετρικής μορφής κοπτικών ακμών

• ∆ημιουργία προσομοιωτικού μοντέλου στο Comsol Multiphysics

• Συνοπτικά αποτελέσματα προγράμματος Comsol Multiphysics

• ∆ημιουργία προσομοιωτικού μοντέλου στο Deform 3D

• Συνοπτικά αποτελέσματα προγράμματος Deform 3D

• Συμπεράσματα

2

Η κατεργασία της λείανσης

Λείανση χαρακτηρίζεται η κατεργασία αφαίρεσης υλικού (συνήθως κατεργασία αποπεράτωσης)με χρήση λειαντικού τροχού από κόκκους σκληρού υλικού που συγκρατούνται από συνδετικόυλικό. Οι λειαντικοί κόκκοι (abrasives, grits) είναι άμορφοι χωρίς καθορισμένη γεωμετρία. Κατάτη διάρκεια της κατεργασίας, ενεργούν ταυτόχρονα στην αποβολή υλικού μεγάλος αριθμόςλειαντικών κόκκων.

3

Τα είδη λείανσης είναι τα εξής:

• Επίπεδη λείανση.

• Κυλινδρική λείανση.

• Άκεντρη λείανση.

• Λείανση μορφής.

• Αποκοπή υλικού με λειαντικό δίσκο.

Τα πιο συνηθισμένα υλικά κόκκων σε λειαντικούς τροχούς είναι:

• Φυσικό ή τεχνητό κορούνδιο (Αl2Ο3): Λαμβάνεται φυσικά από το ορυκτό σμύριδα ή παράγεταιτεχνητά σε ηλεκτρική κάμινο από βωξίτη.

• Ανθρακοπυρίτιο (SiC): Παράγεται τεχνητά σε ηλεκτρική κάμινο με πρώτες ύλες χαλαζιακή άμμοκαι άνθρακα (C).

• Ζιρκόνιο-Κορούνδιο (Zr): Κατασκευάζεται με την τήξη ενός μείγματος από ZrO2 και Al2O3 σεακριβώς καθορισμένες αναλογίες ανάμειξης.

• ∆ιαμάντι.

• Κυβικός βοριονιτρίτης (CBN): είναι μια θερμική και χημική πυρίμαχη ένωση του βορίου και τουαζώτου με το χημικό τύπο BN.

Είδη λείανσης και υλικά κόκκων

4

Το 1986 η κ. Χαρίκλεια Καραχάλιου προσπάθησε να επιτύχει ακριβείς προσδιορισμούς τηςτρισδιάστατης γεωμετρικής μορφής των κοπτικών ακμών του λειαντικού τροχού, ο οποίος θα βασίζεταιστη μετρημένη, μέσω τραχυγραφημάτων, τοπογραφία του τροχού.

Προσδιορισμός τρισδιάστατης γεωμετρικής μορφής κοπτικών ακμών

5

Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (ΠΣ) είναι μια αριθμητική μέθοδος, η οποία με τη βοήθεια τουηλεκτρονικού υπολογιστή, μπορεί να δώσει αξιόπιστα αποτελέσματα. Το βασικό της πλεονέκτημα είναι ότιμπορεί να βρει εφαρμογή σε όλα τα προβλήματα κατεργασιών. Η μοντελοποίηση με τη μέθοδο τωνπεπερασμένων στοιχείων ξεκινά με τη διακριτοποίηση των παραγόντων της κατεργασίας (κοπτικόεργαλείο, τεμάχιο). Ο χώρος που καταλαμβάνουν τα ΠΣ χωρίζεται σε τετράγωνα, τρίγωνα ή πολύγωνα ταοποία ενώνονται με κόμβους.

6

Προσδιορισμός τρισδιάστατης γεωμετρικής μορφής κοπτικών ακμών

∆ιάγραμμα δυνάμεων κοπής συναρτήσει του ρυθμού αφαίρεσης υλικού με λειαντικό τροχό 90A80J5V217 και διάμετρο 250mm.

Μέση διάμετρος κόκκου για διάφορες τιμές κόκκωσης.

7

Προσδιορισμός τρισδιάστατης γεωμετρικής μορφής κοπτικών ακμών

Μετατροπή αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά, τωντραχυγραφημάτων που λαμβάνονται κατά τηνπεριγραφή της τοπογραφίας του λειαντικούτροχού.

Σύνδεση επιμέρους κοπτικών ακμών σε σύστημα κόψεων,με τη βοήθεια προγράμματος Ηλεκτρονικού Υπολογιστή.

∆ημιουργία προσομοιωτικού μοντέλου στο Comsol Multiphysics

Το COMSOL Multiphysics είναι ένα ισχυρόδιαδραστικό περιβάλλον για τη μοντελοποίησηκαι την επίλυση όλων των ειδώνεπιστημονικών και τεχνικών προβλημάτωνπου περιγράφονται από μερικές διαφορικέςεξισώσεις (Μ∆Ε).

Οι μερικές διαφορικές εξισώσεις αποτελούν τοθεμέλιο για πολλούς από τους νόμους τηςεπιστήμης και της φυσικής και παρέχουν τηβάση για τη μοντελοποίηση ευρέος φάσματοςφαινομένων.

Κατά την επίλυση των μερικών διαφορικώνεξισώσεων, το COMSOL Multiphysicsχρησιμοποιεί την ιδιαίτερα επιτυχημένη καιδιαδεδομένη μέθοδο των πεπερασμένωνστοιχείων (FEM).

Σημαντικό πλεονέκτημα του COMSOLMultiphysics είναι η δυνατότητα αλληλε-πίδρασής του με το MATLAB, πράγμα πουδιευκολύνει πάρα πολύ καθώς είναι εφικτή ηαποθήκευση ενός υπολογιστικού μοντέλου σεμορφή κώδικα, στον οποίο μπορεί εύκολα ναγίνονται αλλαγές και τροποποιήσεις.

8

9

∆ημιουργία προσομοιωτικού μοντέλου στο Comsol Multiphysics

∆ημιουργία προσομοιωτικού μοντέλου στο Comsol Multiphysics

10

11

∆ημιουργία προσομοιωτικού μοντέλου στο Comsol Multiphysics

12

Αποτελέσματα προσομοιώσεων επαλήθευσης τηςδιατριβής κ. Καραχάλιου.

Μοντέλο προσομοίωσης για επαλήθευση.

∆ημιουργία προσομοιωτικού μοντέλου στο Comsol Multiphysics

13

Συνοπτικά αποτελέσματα προγράμματος Comsol Multiphysics

14

Συνοπτικά αποτελέσματα προγράμματος Comsol Multiphysics

∆ημιουργία προσομοιωτικού μοντέλου στο Deform 3D

Το Deform-3D είναι το πιο ευρέωςχρησιμοποιούμενο λογισμικό ανάλυσης στοκόσμο για τη βελτιστοποίηση μετάλλων,γυαλιού και άλλων μη μεταλλικώνσχηματισμών, θερμικών επεξεργασιών καιτων διαδικασιών κατεργασίας.

Επίσης βοηθά στη βελτιστοποίηση τηςποιότητας των προϊόντων και στη μείωση τουκόστους παραγωγής για τις διαδικασίες τηςσφυρηλάτησης, της εξώθησης, της κύλισης,της στρέψης και της διάτρησης.

Ακόμα, με το Deform υπάρχει η δυνατότηταπρόβλεψης της εξέλιξης της μικροδομής τωνπαραμορφώσεων του προϊόντος και τωνφάσεων μετασχηματισμού.

Τέλος, είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να γίνεταιακριβής, γρήγορη και εύκολη προσομοίωσηψυχρών, θερμών και υψηλών θερμοκρασιώντεχνολογιών παραγωγής, της διαδικασίαςαντιμετώπισης των προβλημάτων τους καιτης ανάλυσης των αναπτυσσόμενων τάσεων.

15

16

∆ημιουργία προσομοιωτικού μοντέλου στο Deform 3D

17

∆ημιουργία προσομοιωτικού μοντέλου στο Deform 3D

∆ημιουργία προσομοιωτικού μοντέλου στο Deform 3D

18

19

∆ημιουργία προσομοιωτικού μοντέλου στο Deform 3D

Συνοπτικά αποτελέσματα προγράμματος Deform 3D

20

Αφού ολοκληρώθηκαν οι προσομοιώσεις με τη χρήση τροχού και έγινε η σύγκριση με τα αποτέλεσματα τηςπροσομοίωσης χωρίς χρήση τροχού, στη συνέχεια έγινε μετατροπή του τεμαχίου προς κατεργασία καιπραγματοποιήθηκαν νέες δοκιμές προσομοίωσης. Στις νέες δοκιμές έγινε χρήση:

Τριών διαφορετικών κόκκων διαστάσεων:

• d= 0.1mm

• d= 0.18mm και

• d= 0.2mm

Τριών διαφορετικών περιπτώσεων βάθους κοπής:

• a= 5μm

• a= 10μm και

• a= 25μm

Τριών διαφορετικών υλικών κόκκου:

• ∆ιαμάντι(Diamond).

• Ανθρακοπυρίτιο(SiC).

• Οξείδιο του Αργιλίου(Al2O3).

∆ύο υλικών τεμαχίου:

• Aluminum 7075 Τ651: Πρόκειται για κράμα αλουμινίου και περιλαμβάνει 5.5-6.1(%) ψευδάργυρο,2.1-2.5(%) μαγνήσιο, 1.2-1.6(%) χαλκό, 0.5(%) πυρίτιο. Ακόμα περιλαμβάνει σίδηρο, μαγγάνιο,χρώμιο και τιτάνιο. Χρησιμοποιείται, λόγω της υψηλής αντοχής του σε κόπωση, στηναυτοκινητοβιομηχανία, στην αεροναυπηγική, στους αναριχητικούς εξοπλισμούς και σε εξαρτήματαόπλων.

• DIN-16MnCr5: Πρόκειται για κράμα χάλυβα και περιλαμβάνει 0.14-0.19(%) άνθρακα, 1-1.1(%)μαγνήσιο, max 0.4(%) πυρίτιο, 0.8-1.1(%) χρώμιο και μαχ 0.035(%) θείο. Χρήσιμοποιείται στηναυτοκινητοβιομηχανία και για την δημιουργία αξόνων, εκκεντροφόρων αξόνων, στροφάλων καιγραναζών.

Και με τον συνδυασμό όλων αυτών των δεδομένων προέκυψαν 54 διαφορετικές περιπτώσεις δοκιμών.

21

Συνοπτικά αποτελέσματα προγράμματος Deform 3D

22

Συνοπτικά αποτελέσματα προγράμματος Deform 3D

23

Συνοπτικά αποτελέσματα προγράμματος Deform 3D

24

Συνοπτικά αποτελέσματα προγράμματος Deform 3D

Συνοπτικά αποτελέσματα προγράμματος Deform 3D

25

Αποτελέσματα κόκκου Diamond διαστάσεων 0.1mm, 0.18mm και 0.2mm σε βάθηκοπής 5μm, 10μm και 25μm.

Αποτελέσματα κόκκου Diamond διαστάσεων 0.1mm, 0.18mm και 0.2mm σε βάθηκοπής 5μm, 10μm και 25μm.

20,2

37,1

82

23,5

41,9

90,4

21,1

46,1

92

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30

Tmax(οC)

Βάθος Κοπής(μm)

DIAMOND‐DIN

d= 0.10mm d= 0.18mm d= 0.2mm

20,1

27,3

44,8

20,2

27,3

48,3

20,5

31,4

50,5

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30

Tmax(οC)

Βάθος Κοπής(μm)

DIAMOND‐ALUMINUM

d= 0.10mm d= 0.18mm d= 0.2mm

26

20,7

36,3

78,8

29,8

41,7

87,5

22

48,7

90,6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30

Tmax(οC)

Βάθος Κοπής(μm)

SIC‐DIN

d= 0.10mm d= 0.18mm d= 0.2mm

Αποτελέσματα κόκκου SiC διαστάσεων 0.1mm, 0.18mm και 0.2mm σε βάθη κοπής5μm, 10μm και 25μm

20,2

24

32,3

20,3

23,9

34,6

20,4

26,4

35,5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30

Tmax(οC)

Βάθος Κοπής(μm)

SIC‐ALUMINUM

d= 0.10mm d= 0.18mm d= 0.2mm

Αποτελέσματα κόκκου SiC διαστάσεων 0.1mm, 0.18mm και 0.2mm σε βάθη κοπής5μm, 10μm και 25μm

Συνοπτικά αποτελέσματα προγράμματος Deform 3D

27

Αποτελέσματα κόκκου Al2O3 διαστάσεων 0.1mm, 0.18mm και 0.2mm σε βάθη κοπής5μm, 10μm και 25μm.

Αποτελέσματα κόκκου Al2O3 διαστάσεων 0.1mm, 0.18mm και 0.2mm σε βάθη κοπής5μm, 10μm και 25μm.

Συνοπτικά αποτελέσματα προγράμματος Deform 3D

20,8

26,2

33,924,4

27,4

35

21,6

25

35,5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30

Tmax(οC)

Βάθος Κοπής(μm)

AL2O3‐DIN

d= 0.10mm d= 0.18mm d= 0.2mm

20,2

20,7

21,7

20,2

20,9

21,9

20,2

21,1

21,9

20

20,2

20,4

20,6

20,8

21

21,2

21,4

21,6

21,8

22

0 5 10 15 20 25 30

Tmax(οC)

Βάθος Κοπής(μm)

AL2O3‐ALUMINUM

d= 0.10mm d= 0.18mm d= 0.2mm

28

Συμπεράσματα

Από τη μελέτη των αποτελεσμάτων και αφού έγινε η επιβεβαίωση του μοντέλου της κ.Καραχάλιου,συμπεραίνεται ότι από όλα τα διαφορετικά υλικά που χρησιμοποιήθηκαν, για τη μελέτη της αντοχής τουςστις δυνάμεις και στις τάσεις που ασκήθηκαν σε αυτά:

• το καταλληλότερο από όλα για υλικό κόκκου, λόγω της αντοχής, του είναι το Ανθρακοπυρίτιο ενώ• για τον τροχό/συνδετικό υλικό το καταλληλότερο (με μικρή διαφορά) είναι η Πολυσιλικόνη επειδή

παρουσιάζει μεγαλύτερη αντοχή. Αντίστοιχα η Εποξική Ρητίνη 838, παρ’ όλο που εμφάνισε τημικρότερη αντοχή επειδή είναι ασταθής, είναι εύκολα παραμορφώσιμη και έτσι συντελεί στηναύξηση της αντοχής όλου του τροχού.

Aπό τα αποτελέσματα για τις μεταβολές θερμοκρασίας συμπεραίνεται ότι:

• Tο υλικό το οποίο είχε τις μικρότερες μεταβολές, για τα βάθη κοπής για τα οποία έγιναν οιπροσομοιώσεις, είναι το Οξείδιο του Αργιλίου και το οποίο κατατάσσεται πρώτο σε προτίμηση.

• Το Ανθρακοπυρίτιο κατατάσσεται δεύτερο σε αντοχή σε μεταβολές θερμοκρασίας μετά το Οξείδιοτου Αργιλίου, όπου για συγκεκριμένα βάθη κοπής σημείωσε τις μικρότερες ή ίσες μεταβολέςθερμοκρασίας με το Οξείδιο του Αργιλίου.

• To ∆ιαμάντι, το οποίο κατατάσσεται τρίτο σε προτίμηση, σημείωσε σχεδόν σε όλες τις περιπτώσειςτις μέγιστες μεταβολές θερμοκρασίας με εξαίρεση σε κάποιες σπάνιες περιπτώσεις όπου εμφάνισετην ίδια θερμοκρασία με τα άλλα δύο υλικά και όπου σε μία μοναδική περίπτωση σημείωσε τηνμικρότερη θερμοκρασία από τα άλλα δύο υλικά.

29

Τέλος

Τέλος!!!!!