مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی اثر زبری سطح بر عمر خستگی در فرایند‌ سوراخ‌کاری فولاد سخت

نویسندگان
1 دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی مکانیک
2 استاد دانشگاه تربیت مدرس
3 دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران
چکیده
در این پژوهش، اثر زبری سطح بر عمر خستگی در فرایند سوراخ‌کاری فولاد AISI4340 مورد بررسی قرار گرفت. سه روش ایجاد سوراخ شامل سوراخ‌کاری سنتی با و بدون پیش‌مته و فرزکاری مارپیچ به‌کارگرفته شدند. به منظور مطالعه اثر زبری سطح و پارامترهای فرایند روی استحکام خستگی، دو پارامتر اصلی برش شامل؛ سرعت برشی (Vc) و نرخ پیشروی (fz) با استفاده از طرح آزمایش رویه پاسخ در 5 سطح تغییر داده شدند. در هر آزمایش 5 پارامتر اصلی پروفیل زبری سطح شامل Rz، Rt، Ra، Rq و Rsm اندازه‌گیری شدند. سپس عمر هر نمونه با استفاده از آزمون‌های خستگی بدست آمد. با درنظرگرفتن آزمایش‌های اعتبارسنجی، 13 آزمون خستگی برای هر راهبرد سوراخ‌کاری انجام گرفت (مجموع 39 آزمون خستگی). نتایج نشان داد که روی سطح سوراخ ایجاد شده توسط فرایند سوراخ‌کاری سنتی، اثراتی از مسیر ابزار، خراش‌های ناشی از برخورد براده‌ها و اثر شخم‌زنی بوجود می‌آید. این اثرات در سایر فرایندها ناچیز بود. بر همین اساس نیز، بیشترین زبری سطح به‌ترتیب در فرایند‌های سوراخ‌کاری سنتی، سوراخ‌کاری با پیش‌مته و فرایند فرزکاری مارپیچ مشاهده گردید. همچنین، مدل تخمین عمر بر اساس معیار زبری Rz با خطای میانگین 4.4% بهترین تخمین عمر خستگی را دارا بود. در واقع، عمر خستگی وابستگی بیشتری به اختلاف ارتفاع پستی و بلندی ماکزیممی دارد که در مجاور هم هستند. همچنین مشاهده شد که در توسعه مدل تخمین عمر خستگی قطعات سوراخ‌دار، استفاده از مدل بر پایه پارامتر زبری سطح در مقایسه با پارامترهای برش، عمر خستگی را بهتر و با خطای کمتری محاسبه می‌کند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Evaluation of Surface Roughness Effect on Fatigue Life in Drilling of Hardened Steel

نویسندگان English

amir rasti 1
Mohammad Hossein Sadeghi 2
SINA SABBAGHI FARSHI 3
1 tarbiat modares university
2 Tarbiat Modares University
3 mechanical engineering, tarbiat modares university, tehran, iran
چکیده English

In this study, the effect of surface roughness on fatigue life was investigated in drilling process of AISI4340 steel. Three hole making methods including drilling with and without pre-drill and helical milling were utilized. In order to study the effect of surface roughness and process parameters on fatigue strength, the two main cutting parameters including cutting speed (Vc) and feed rate (fz) were changed at 5 levels using the response surface method. Five main parameter of surface roughness profile including Rz, Rt, Ra, Rq, and Rsm were measured in each experiment. Then, the fatigue life of specimens were obtained using fatigue tests. Regarding the validation experiments, 13 fatigue tests were carried out for each drilling strategy (39 fatigue tests totally). Investigation of surface texture showed the signs of the tool path, scratches by the chip collisions and ploughing on hole surfaces in the conventional drilling. These effects were negligible in other processes. Accordingly, the highest roughness was observed in conventional drilling, drilling with pre-drill and helical milling processes respectively. Also, the fatigue life estimation model based on Rz had the best estimation with an average error of 4.4%. In fact, the fatigue life is more dependent on the difference between adjacent peaks and valleys. It was also observed that a model based on the roughness parameter will predict the fatigue life with lower error compared to a model based on the cutting parameters.

کلیدواژه‌ها English

Drilling
Fatigue Life
Surface roughness
Surface Texture
[1] J. P. Davim, Machining of Hard Materials, pp. 20-50, London: Springer Science & Business Media, 2011.
[2] P. Zhang, N. Churi, Z. J. Pei, C. Treadwell, Mechanical drilling processes for titanium alloys: A literature review, Machining Science and Technology, Vol. 12, No. 4, pp. 417-444, 2008.
[3] M. H. Sadeghi, M. H. saadatbakhsh, A. Rasti, H. Hassanpour, A. Omiddoodman, Empirical study of dimensional and geometrical tolerances in helical milling of 4340 steel, Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 15, pp. 119-126, 2014. (in Persian فارسی(
[4] R. M'Saoubi, J. Outeiro, H. Chandrasekaran, O. Dillon Jr, I. Jawahir, A review of surface integrity in machining and its impact on functional performance and life of machined products, Sustainable Manufacturing, Vol. 1, No. 1-2, pp. 203-236, 2008.
[5] W. Huang, J. Zhao, A. Xing, G. Wang, H. Tao, Influence of tool path strategies on fatigue performance of high-speed ball-end-milled AISI H13 steel, Advanced Manufacturing Technology, Vol. 1, No. 1, pp. 1-10, 2017.
[6] L. De Chiffre, P. Lonardo, H. Trumpold, D. Lucca, G. Goch, C. Brown, J. Raja, H. N. Hansen, Quantitative characterisation of surface texture, CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol. 49, No. 2, pp. 635-652, 2000.
[7] J. Liu, Z. Yue, Y. Liu, Surface finish of open holes on fatigue life, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, Vol. 47, No. 1, pp. 35-45, 2007.
[8] D. Novovic, R. Dewes, D. Aspinwall, W. Voice, P. Bowen, The effect of machined topography and integrity on fatigue life, Machine Tools and Manufacture, Vol. 44, No. 2, pp. 125-134, 2004.
[9] S. Andrews, H. Sehitoglu, A computer model for fatigue crack growth from rough surfaces, Fatigue, Vol. 22, No. 7, pp. 619-630, 2000.
[10] E. Siebel, Influence of surface roughness on the fatigue strength of steels and non-ferrous alloys, Engineers Digest, Vol. 18, No. 1, pp. 109-112, 1957.
[11] M. R. Bayoumi, A. Abdellatif, Effect of surface finish on fatigue strength, Engineering Fracture Mechanics, Vol. 51, No. 5, pp. 861-870, 1995.
[12] G. Leverant, B. Langer, A. Yuen, S. Hopkins, Surface residual stresses, surface topography and the fatigue behavior of Ti-6AI-4V, Metallurgical Transactions A, Vol. 10, No. 2, pp. 251-257, 1979.
[13] M. Dietzsch, K. Papenfuβ, T. Hartmann, The MOTIF-method (ISO 12085)— a suitable description for functional, manufactural and metrological requirements, Machine Tools and Manufacture, Vol. 38, No. 5, pp. 625-632, 1998.
[14] K. Stout, Surface measurements and their relevance in manufacturing, Production Engineer, Vol. 59, No. 5, pp. 17-22, 1980.
[15] S. M. Vaziri, The Investigation of Fatigue Failure of Machined Thin Walled Structures, Modares Mechanical Engineering, Vol. 13, No. 6, pp. 11-19, 2013. (in Persian فارسی(
[16] D. C. Montgomery, Design and Analysis of Experiments, pp. 300-350, New Jersey: John Wiley & Sons, 2008.
[17] M. H. Saadatbakhsh, A. Rasti, M. H. Sadeghi, H. Hassanpour, A. R. Omiddodman, Compare and study of hole quality characteristics in helical milling and conventional drilling, Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 16, pp. 332-338, 2015. (in Persian فارسی(
[18] K. Giasin, S. Ayvar-Soberanis, Microstructural investigation of drilling induced damage in fibre metal laminates constituents, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 97, No. 1, pp. 166-178, 2017.
[19] B. Denkena, D. Boehnke, J. Dege, Helical milling of CFRP–titanium layer compounds, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, Vol. 1, No. 2, pp. 64-69, 2008.
[20] A. Rasti, S. Sabbaghi Farshi, M. H. Sadeghi, H. Imani, Study of microhardness variations in hole making processes on 4340 steel, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 1, pp. 423-430, 2017. (in Persian (فارسی
[21] M. H. Saadatbakhsh, H. Imani, M. H. Sadeghi, S. S. Farshi, Experimental study of surface roughness and geometrical and dimensional tolerances in helical milling of AISI 4340 alloy steel, Advanced Manufacturing Technology, Vol. 93, No. 9-12, pp. 4063-4074, 2017.
[22] M. A. Xavior, M. Adithan, Determining the influence of cutting fluids on tool wear and surface roughness during turning of AISI 304 austenitic stainless steel, Materials Processing Technology, Vol. 209, No. 2, pp. 900- 909, 2009.
[23] R. B. D. Pereira, L. C. Brandão, A. P. de Paiva, J. R. Ferreira, J. P. Davim, A review of helical milling process, Machine Tools and Manufacture, Vol. 120, No. 1, pp. 27-48, 2017.
[24] A. Omiddodman, H. hassanpour, M. H. Sadeghi, A. Rasti, M. H. Saadatbakhsh, Evaluation of workpiece hardness and cutting parameters effects on cutting force and surface roughness in drilling using vegetablebased cutting fluid, Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 13, pp. 265-271, 2014. (in Persian فارسی(