تاثير هندسه و سرعت ابزار بر توليد حرارت در فرايند برش نانومتري تك‌بلور مسي با استفاده از روش شبيه‌سازي ديناميك مولكولي

Effect of Tool Geometry and Cutting Speed on Heat Generation in Nanometric Cutting of Copper Single Crystal

توليد حرارت در طول فرايند ماشين كاري نانومتري يكي از پيامدهايي است كه سعي مي‌شود به كمترين حد رسانده شود. اين پژوهش به بررسي تاثير شعاع انحناي نوك ابزار و سرعت برش بر توليد حرارت و بالانس انرژي در قطعه‌كار مي‌پردازد. در اين راستا، فرايند برش نانومتريك بر قطعه‌كار تك‌ بلور مس، با روش ديناميك مولكولي و تابع پتانسيل فلزيEAM شبيه‌سازي شده و با ارايه مدل توزيع انرژي، تاثير عوامل ياد شده مورد بررسي قرار مي‌گيرد. بر اساس نتايج، با نفوذ ابزار به داخل قطعه‌كار، سرعت اتم هايي كه در همسايگي ابزار قرار دارند، به شدت افزايش مي‌يابد. اين افزايش موضعي سرعت و تغيير شكل زياد باعث مي‌شود كه دما در قطعه‌كار به صورت موضعي در اطراف ابزار و براده زياد شود. افزايش چهار برابري سرعت برش، تنها باعث افزايش حدود %27-21 نيروهاي برشي مي‌شود. سرعت برش، اما تاثير قابل توجهي در تغييرات انرژي پتانسيل، جنبشي و انتقال حرارت در قطعه‌كار دارد. به گونه اي كه در سرعت هاي برش بالا با كاهش مقدار انتقال حرارت، انرژي جنبشي و پتانسيل زيادي در قطعه‌كار باقي مي‌ماند كه باعث افزايش شديد دما و گراديان درجه حرارت در قطعه‌كار مي‌شود. افزايش چهار برابري سرعت برش، از m/s50 به m/s 200، باعث افزايش دما در نواحي ماشين كاري از ?C300 به ?C 700 مي‌شود كه مي‌تواند در كيفيت سطح ماشين كاري تاثيرگذار باشد. افزون بر اين، با افزايش شعاع انحنا ابزار، ميزان فشردگي اتم ها در جلوي ابزار افزايش مي‌يابد و باعث افزايش نيروهاي ابزار بويژه در جهت عمودي مي‌شود كه در نهايت، باعث افزايش گراديان درجه حرارت در قطعه‌كار بويژه در ناحيه براده مي‌شود.

Metal cutting can be associated with high heat generation in the tool-chip interface zone and hence, the thermal aspects of the cutting process strongly affect the accuracy of the ultra precision machining. This study presents the effect of tool edge radius and cutting speed on heat generation and balance of energy in nanomachining process using three dimensional molecular dynamics simulation with Embedded Atom Method (EAM) metal potential energy. Results show whenever tool scratches the work material, atoms velocity of surface layers is increased dramatically, which influence kinetic energy and workpiece temperature. By increasing cutting speed to 400%, cutting forces are increased between 21-27%. Although tool forces is not increased considerably by cutting speed, a big fraction of potential energy, kinetic energy and heat transfer are remained in workpiece. So, workpiece temperature and temperature gradient is increased dramatically. Increasing cutting speed form 50 m/s to 200 m/s affect on temperature increment near machined surface from 300 ?C to 700?C which can affect the surface roughness. In addition, tool edge radius increases in contact area between tool and workpiece when tool forc is increased especially in trust direction. Consequently, temperature gradient is raised locally in chip formation area by tool edge radius.