Experimental and numerical investigation of cold forging tool degradation due to plastic deformation
यह अध्ययन AISI H13 कोल्ड फोर्जिंग टूल्स के प्लास्टिक विरूपण (प्लास्टिक डिफॉर्मेशन) को चरित्रित करने और उनकी थकान आयु (फटीग लाइफटाइम) की भविष्यवाणी करने के लिए प्रयोगात्मक स्ट्रेन मापन, एक समायोजित जॉनसन-कुक विश्लेषणात्मक मॉडल और QForm परिमित तत्व सिमुलेशन (फाइनाइट एलीमेंट सिमुलेशन) को एकीकृत करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण प्रयोगात्मक फ्रैक्चर बिंदु के निकट विफलता का प्रभावी ढंग से पूर्वानुमान लगाता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ कारों, उपकरणों और खिलौनों को आकार देने के लिए विशाल धातु के स्टैम्प का उपयोग किया जाता है। ये स्टैम्प, जिन्हें "टूल्स" (औजार) कहा जाता है, फैक्ट्री के फर्श के नायक हैं, लेकिन उनकी एक गुप्त कमजोरी है: वे थक जाते हैं। ठीक वैसे ही जैसे एक रबर बैंड बहुत अधिक बार खींचे जाने के बाद अंततः टूट जाता है, ये भारी-भरकम धातु के टूल्स बार-बार दबने के दबाव में धीरे-धीरे मुड़ या टूट सकते हैं। इस प्रक्रिया को "प्लास्टिक विरूपण" (प्लास्टिक डीफॉर्मेशन) कहा जाता है। यह कोई अचानक होने वाला टूटना नहीं है; यह एक धीमी, अदृश्य जंग है जहाँ हर बार दबाने पर धातु का आकार थोड़ा सा बदल जाता है जब तक कि एक दिन वह हार न मान ले। वैज्ञानिक और इंजीनियर इस बात को समझने के लिए जुनूनी हैं कि यह "हार मानना" ठीक कब होगा ताकि वे उत्पादों के खराब बैच या मशीन के टूटने से पहले टूल्स को बदल सकें। इसे करने के लिए, वे दो मुख्य तरकीबों का उपयोग करते हैं: वे सूक्ष्म सेंसरों के साथ धातु के "लचीलेपन" को मापते हैं, और वे भविष्य की भविष्यवाणी करने के लिए "डिजिटल ट्विन" के रूप में कार्य करने वाले कंप्यूटर मॉडल बनाते हैं। बड़ा सवाल यह है कि क्या हम वास्तविक दुनिया के मापों को कंप्यूटर के अनुमानों के साथ जोड़कर, टूल के वास्तव में टूटने से पहले उसके भविष्य को देख सकते हैं?
यह शोध पत्र उन शोधकर्ताओं की टीम की कहानी बताता है जिन्होंने AISI H13 स्टील से बने एक विशिष्ट प्रकार के धातु टूल के साथ जासूसी करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक नाटकीय प्रयोग स्थापित किया जहाँ एक बेलनाकार धातु के पंच (punch) को एक विशाल हाइड्रोलिक प्रेस का उपयोग करके बार-बार एक सपाट धातु की सतह पर टकराया गया। इसे एक विशाल, स्लो-मोशन मुक्के की तरह समझें जो बार-बार धातु के टुकड़े पर प्रहार कर रहा है। उन्होंने केवल देखा नहीं; उन्होंने सुना भी। उन्होंने टूल पर सूक्ष्म "स्ट्रेन गेज" (जो अत्यधिक संवेदनशील खिंचाव डिटेक्टरों की तरह हैं) चिपकाए ताकि वे महसूस कर सकें कि हर एक प्रहार के दौरान टूल कितना मुड़ और घूम रहा है। उन्होंने यह देखने के लिए QForm नामक एक कंप्यूटर प्रोग्राम में इस सेटअप का एक डिजिटल संस्करण भी बनाया कि क्या आभासी टूल वास्तविक टूल की तरह ही व्यवहार करता है।
टीम ने पाया कि टूल एक बार में नहीं टूटता। इसके बजाय, यह चरणों से गुजरता है। शुरुआत में, टूल हर प्रहार के बाद बिल्कुल एक स्प्रिंग की तरह वापस अपनी स्थिति में आ जाता था। लेकिन जैसे ही दबाव लगभग 300kN तक बढ़ गया, टूल स्थायी रूप से थोड़ा सा मुड़ने लगा। यही प्लास्टिक विरूपण है। शोधकर्ताओं ने पाया कि टूल अंततः 656 चक्रों के बाद अपने आधार के पास टूट गया और उसमें दरार आ गई, ठीक उसी समय जब कुल स्थायी मोड़ 6,674 µstrain तक पहुँच गया था।
इस आपदा की भविष्यवाणी करने के लिए, उन्होंने दो अलग-अलग तरीकों का प्रयास किया। पहला तरीका एक गणितीय सूत्र (जॉनसन-कूक मॉडल) था जिसने प्रहार की तीव्रता के आधार पर नुकसान का अनुमान लगाने की कोशिश की। यह मॉडल बहुत सतर्क था; इसने भविष्यवाणी की कि टूल बहुत पहले ही, चक्र 439 पर ही टूट जाएगा। यह एक ऐसे मौसम विज्ञानी की तरह था जो केवल सावधानी के तौर पर हमेशा तूफान की भविष्यवाणी करता है, भले ही आसमान में केवल बादल हों। दूसरा तरीका कंप्यूटर सिमुलेशन था। यह डिजिटल ट्विन सेंसर वाले स्थान पर आश्चर्यजनक रूप रूप से सटीक था, जिसने वास्तविक माप के 4.37% के भीतर मोड़ का अनुमान लगाया। हालाँकि, जब इसने कुल जीवनकाल की भविष्यवाणी करने की कोशिश की, तो इसने सोचा कि टूल चक्र 547 तक चलेगा। यह वास्तविक टूटने (656 चक्र) की तुलना में वास्तविक संख्या के करीब था, लेकिन फिर भी थोड़ा अधिक आशावादी था।
उनकी खोज का सबसे रोमांचक हिस्सा यह है कि उन्होंने कड़ियों को कैसे जोड़ा। चूंकि आप हमेशा सेंसर को ठीक उसी जगह नहीं रख सकते जहाँ टूल के टूटने की सबसे अधिक संभावना होती है (क्योंकि वह अक्सर मशीन के अंदर छिपा होता है), उन्होंने कंप्यूटर मॉडल को एक अनुवादक के रूप में उपयोग किया। उन्होंने एक सुरक्षित, सुलभ स्थान पर मोड़ को मापा और कंप्यूटर का उपयोग यह गणना करने के लिए किया कि खतरनाक, छिपे हुए स्थान पर मोड़ कितना अधिक था। ऐसा करके, वे मशीन को अंदर देखने के लिए रोके बिना कुल नुकसान का अनुमान लगा सके।
अंत में, यह शोध पत्र सुझाव देता है कि हालांकि न तो गणितीय सूत्र और न ही कंप्यूटर सिमुलेशन अकेले पूर्ण थे, लेकिन उनका एक साथ उपयोग करना एक शक्तिशाली सुरक्षा जाल बनाता है। गणितीय मॉडल चीजों के खतरनाक होने का जल्दी पता लगाने में महान है, जबकि कंप्यूटर मॉडल यह दिखाने में उत्कृष्ट है कि नुकसान कहाँ छिपा हुआ है। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि इन सूक्ष्म, स्थायी मोड़ों को जमा होते हुए देखकर, कारखाने यह भविष्यवाणी कर सकते हैं कि टूल कब विफल होने वाला है और इससे पहले कि कोई गड़बड़ी हो, उसे बदल सकते हैं। यह कार के टायर के असमान रूप से घिसने को नोटिस करने और हाईवे पर टायर फटने से पहले उसे बदलने जैसा है। हालांकि यह विशिष्ट परीक्षण एक विशेष परिस्थिति में एक टूल पर किया गया था, यह विधि हमारे धातु-आकार देने वाली दुनिया को सुचारू रूप से और सुरक्षित रूप से चलाने के लिए एक आशाजनक नया तरीका प्रदान करती है।
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